關 波

（潞安化工集團五陽煤礦，山西 長治 046205）

引言

煤炭作為我國主要的能源供應形式，隨著不斷的開采使用，我國東部地區(qū)的煤炭資源逐漸減少，西北部地區(qū)的煤炭儲量豐富，且目前的開采使用率較低。我國西北部地區(qū)的煤炭礦區(qū)成巖時間相對較短，煤層底板多為粉砂泥巖、碳質泥巖及中細砂巖等弱膠結的軟巖為主，巖層的力學強度較低[1]，容易遇水膨脹泥化，膠結性差。對此煤巖下的煤炭進行開采，進行巷道挖掘的過程中，大斷面的軟巖容易出現(xiàn)圍巖的塑性變形范圍大，復合頂板的下沉導致巷道彎曲破壞[2]。針對巷道掘進過程中，引起巷道變形的主要因素采用仿真分析的方式對其變形作用進行分析[3]，從而對巷道的支護提供參考，針對性的進行巷道支護，減小巷道的變形，保證煤礦的生產(chǎn)安全。

1 巷道圍巖變形分析模型的建立

對引起巷道變形的影響因素作用進行仿真分析，在巖土工程數(shù)值模擬的軟件中，選用FLAC3D 對工作面巷道的變形破壞進行數(shù)值模擬。FLAC3D 能夠對巖石、土質及其他的三維受力結構進行準確的模擬[4]，特別是針對巖層的彈塑性破壞進行準確的模擬，在巖土工程界具有廣泛的應用，適用于對巷道的變形進行分析。

以某正在開采中的弱膠結軟巖巷道為例對巷道的變形進行分析，煤層的埋深為540 m，側壓力系數(shù)為1.2，對引起巷道變形的因素進行分析，設定模型的大小為100 m×20 m×100 m（長×寬×高），巷道的斷面尺寸為5.6 m×3.6 m，是大斷面巷道，對于巷道的變形更加敏感，建立巷道的模型，如圖1 所示。其中上覆頂板的壓力以垂直地層的載荷形式施加到模型的上邊界上[5]。巖層的結構分布主要有中粒砂巖、粗粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖及泥巖和煤層，分別設定相應層巖的物理參數(shù)。在弱膠結軟巖巷道的變形因素中，巖層的層理結構及側壓力系數(shù)對巷道的變形具有直接的影響作用。在所建立的模型中，分別進行不同層理結構及側壓力系數(shù)的設定[6]，對巷道的變形進行分析。

圖1 弱膠結軟巖巷道數(shù)值分析模型

2 巷道變形影響參數(shù)的作用仿真分析

2.1 層理結構對巷道變形的影響分析

弱膠結軟巖巷道進行頂板開挖后，由于各層的強度、剛度及受力不同，各巖層間不能同時下沉，且層理面的強度較低，統(tǒng)一出現(xiàn)頂板的分離層。層理結構面的巖體強度較低，分布不均勻，巷道掘進后會出現(xiàn)頂板的離層及斷裂等問題。采用不同的節(jié)理單元模擬不同的層理結構[7]，對層理結構單元的參數(shù)選擇，如表1所示，由此對圍巖的變形進行分析。

表1 不同層理結構模擬參數(shù)值

對不同的層理結構引起的巷道變形進行分析，巷道圍巖的破壞形態(tài)呈現(xiàn)非均勻性，圍巖兩幫的支撐壓力表現(xiàn)為垂直方向的應力，對巷道的位移進行分析[8]。當法向節(jié)理剛度為1 GPa 時，巷道的垂直位移分布，如下頁圖2 所示。

圖2 節(jié)理剛度1 GPa 時巷道圍巖垂直位移

依次對4 中不同的層理結構面進行模擬，在模擬過程中，隨著層理結構力學參數(shù)的增加，結構面的力學性質增強，則弱膠結軟巖巷道圍巖的頂板下沉量、底板鼓起及兩幫的變形量整體呈現(xiàn)一定的減弱趨勢，兩側具有對稱性[9]。在節(jié)理參數(shù)的剛度達到6 GPa時，其層理結構的影響逐漸減弱，位移的變化逐漸減小并趨于零。此時，巷道的變形位移主要集中在巷道的中部位置，兩幫的水平位移變形主要集中在巷道幫部的中部及中上部位置。這是由于較弱的節(jié)理面受到水平方向的擠壓作用產(chǎn)生剪切破壞變形[10]，節(jié)理面越弱則變形越大。對不同層理結構的巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量進行統(tǒng)計，得到如圖3 所示的變化曲線。

圖3 巷道變形隨節(jié)理剛度的變化曲線

從圖3 中可以看出，隨著節(jié)理剛度的增加，巷道圍巖相應的最大變形量逐漸減小，在三處位移變形中，頂板的變形位移量最大，其次為幫部的變形位移量，底鼓的變形位移量最小。在節(jié)理剛度變化的過程中，在節(jié)理剛度小于3 GPa 時，巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量具有明顯的增加[11]，這說明在弱膠結軟巖巷道中，層理結構提高了變形對節(jié)理面的敏感度。隨著節(jié)理面層理結構力學性質的增強，變形量具有較大的減小。巷道頂板的層理結構面是圍巖系統(tǒng)的薄弱面，容易造成巖層裂隙的擴展，導致巷道變形的增加。進行巷道支護時，應加強巷道支護的強度，特別是在變形較大的巷頂中部及巷幫的位置，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 側壓力系數(shù)對巷道變形的影響分析

進行巷道掘進的過程中，由于地應力的復雜多變，在不同的應力狀態(tài)下對巷道的破壞影響各異，其中水平應力場的影響作用較大。為準確了解水平應力場對弱膠結軟巖巷道變形的影響，針對不同的水平應力場[12]，選擇六種不同的側壓力系數(shù)，分別為0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 及2.5，對巷道的變形進行模擬分析，從而為巷道的支護提供參考。對不同側壓力系數(shù)的巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量進行統(tǒng)計，所示的變化曲線，如圖4 所示。

圖4 巷道變形隨側壓力系數(shù)的變化曲線

從圖4 中可以看出，巷道的變形頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量均隨著側壓系數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在側壓系數(shù)較小時，巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量隨側壓系數(shù)的增加有一定的減小，但幅度較低，變化不明顯；在側壓系數(shù)為0.5 時，巷道圍巖變形量最?。浑S著側壓力系數(shù)的增加，巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量也隨之增加，其中以底鼓量的增加最小，幫部變形量次之，頂板的下沉量最大；當側壓系數(shù)大于2 時，幫部變形量及底鼓量的增加明顯加快，幫部的變形量大于底鼓的變形量。由此說明，在對巷道進行支護的過程中，可依據(jù)側壓系數(shù)的不同進行支護方案的設計，當側壓系數(shù)小于1.5 時，應對頂板進行加強支護；當側壓系數(shù)大于1.5時，應對頂板及底板和兩幫都要加強支護，減小巷道圍巖的變形。

3 結語

巷道變形對煤礦的安全生產(chǎn)具有嚴重的影響，特別是在西北部地區(qū)的弱膠結軟巖巷道中，對巷道的變形要進行重點的支護。依據(jù)煤層分布的地質因素，對影響巷道變形的層理結構及側壓力系數(shù)對巷道的變形作用進行分析。采用FLAC3D 單因素仿真的方式進行數(shù)值模擬。結果表明，層理結構面是圍巖的薄弱面，隨著節(jié)理剛度的增加，巷道圍巖相應的最大變形量逐漸減小；不同水平應力場的側壓力系數(shù)不同，對巷道的變形具有顯著的影響，巷道變形隨著側壓系數(shù)的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。進行巷道支護的過程中，應增加支護強度，降低層理結構的軟化效應，當側壓系數(shù)小于1.5 時，對頂板進行加強支護，當大于1.5 時，對頂板及底板和兩幫都要加強支護，提高巷道的支護水平，保證煤礦的安全生產(chǎn)。