動荷載下巷道壓力與支護(hù)數(shù)值模擬研究

徐　成　徐春常

摘要：文章對工作條件下受動荷載影響巷道及護(hù)巷煤柱的應(yīng)力及變形規(guī)律進(jìn)行了研究。研究表明：動荷載下引起的側(cè)向支承壓力集中區(qū)位于煤柱附近上方的巖層中，變形受工作面開采影響很大，高強(qiáng)、全長樹脂錨固錨桿可以有效的控制此類巷道的圍巖變形。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件；工作面；巷道壓力；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD322 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0163-02

對受動壓影響巷道來說，產(chǎn)生的附加變形與破壞的程度，取決于兩方面的因素：一是巷道所受采動附加壓力的大小、分布和作用時間的長短；二是巷道自身的穩(wěn)定狀況的好壞，即承受附加壓力能力的大小。

一、地質(zhì)條件概述

某煤礦42105綜采工作面回風(fēng)平巷II所在的4-1煤層厚度基本穩(wěn)定，平均煤厚3.5 m，埋深120 m左右，傾角1°左右。直接頂巖性為灰色泥巖水平層理，厚度6 m左右。老頂為灰色粉砂巖，水平—波狀層理，中部局部見斜交及變形層理，底部團(tuán)塊狀，厚度4 m左右。底板為深灰色泥巖，底板穩(wěn)定性較差，遇水軟化。直接底為深灰色泥巖，遇水軟化，厚度2.6 m左右。回風(fēng)平巷II與回風(fēng)平巷I間距25 m，兩條巷道之間每隔50 m有聯(lián)絡(luò)巷相聯(lián)。主要研究在44105工作面開采過程中，回風(fēng)平巷II在動壓影響下的支護(hù)狀況。數(shù)值模擬軟件運用三維有限差分計算機(jī)程序FLAC3D建立立體模型。

二、數(shù)值模擬分析

（一）數(shù)值模擬初值設(shè)定

模型底邊界垂直位移固定，左右邊界水平方向位移固定。各巖層力學(xué)性質(zhì)根據(jù)實際情況而定，如表1所示。材料本構(gòu)模型為摩爾—庫侖模型。

三維計算過程為：模型生成—原巖應(yīng)力計算—回風(fēng)平巷I與回風(fēng)平巷II開挖—計算穩(wěn)定—44102工作面分步開采—各步計算平衡—結(jié)果輸出。其中模型由180000個塊體，190568個節(jié)點組成，在xz平面內(nèi)劃分情況如圖3所示。

計算采用莫爾—庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則：fs=σ1-σ3(1+sinφ)/(1-sinφ)+2c (1+sinφ)/(1-sinφ)，式中，σ1，σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c和φ分別是材料的黏結(jié)力和摩擦角。

（二）模擬結(jié)果分析

采準(zhǔn)巷道的礦壓顯現(xiàn)比煤體內(nèi)不受開采影響的單一巷道要復(fù)雜得多，它的維護(hù)狀況除取決于影響單一巷道維護(hù)的諸因素外，主要取決于采動影響，即煤層開采過程中引起的采場周圍的巖層運動和應(yīng)力區(qū)更新分布、對采準(zhǔn)巷道的變形、破壞和維護(hù)的影響。

工作面開采55m時，沿巷道工作面開采55m時頂板垂直應(yīng)力圖如圖1所示，10m～15m處是回風(fēng)平巷II的位置，15m～35m是保護(hù)煤柱的位置，35m～40m為回風(fēng)平巷I的位置，40m～100m是工作面開采的范圍（圖1主要為了說明煤柱上的垂直應(yīng)力情況，50m～100m的應(yīng)力圖中沒有標(biāo)出）的。

分析結(jié)果表明，當(dāng)44105工作面回采時，垂直應(yīng)力演化的特點：由于煤層開采引起上覆巖層跨落、彎曲形成巖梁結(jié)構(gòu)，采動引起的側(cè)向支承壓力集中區(qū)位于煤柱附近上方的巖層中，應(yīng)力集中區(qū)靠近采空區(qū)一側(cè)；應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力最大值為6.5MPa；煤柱上靠近采空區(qū)附近的巖層，其應(yīng)力水平很低，這與煤柱附近存在壓不實死三角區(qū)有關(guān)；回風(fēng)平巷II處于44105工作面采動引起的支承壓力影響區(qū)內(nèi)，其中靠近采空區(qū)的右?guī)褪艿降拇怪睉?yīng)力要大于左幫。圖2是工作面推進(jìn)過程中，回風(fēng)平巷II的頂板下沉量，交叉點是回風(fēng)平巷II與聯(lián)絡(luò)巷的交叉點。圖3是工作面推進(jìn)過程中，在沒有支護(hù)的情況下，回風(fēng)平巷II的兩幫移近量。由圖2、3可以看出，無論是利用錨桿支護(hù)還是不支護(hù)下，回風(fēng)平巷II在掘進(jìn)期間巷道的圍巖變形量以及從掘巷穩(wěn)定到受到工作面開采影響期間的巷道流變都不是很大。

從圖2還可以看出，在受到采動影響以前，在錨桿支護(hù)的情況下，其圍巖變形量比不支護(hù)的情況下還是小一些；回風(fēng)平巷II受到了工作面回采期間強(qiáng)烈的動壓影響。其中，回風(fēng)平巷II與聯(lián)絡(luò)巷交叉點圍巖變形量要遠(yuǎn)大于非交叉點巷道圍巖變形量。

從圖3還可以看出，巷道左幫先是產(chǎn)生向右的位移，在受到動壓影響后，巷道產(chǎn)生較大的向左的位移，并趨于穩(wěn)定。另外，巷道右?guī)偷淖冃我笥谧髱偷淖冃危@是由于巷道的右?guī)臀挥诿褐粋?cè)，當(dāng)回風(fēng)平巷II受到采動影響時，巷道右?guī)透浇拇怪眽毫Υ笥谙锏雷髱?，因而產(chǎn)生了比左幫大的變形量。由模擬分析可知，在具有合適寬度的保護(hù)煤柱的前提下，受動壓影響煤巷中使用高強(qiáng)度、全長樹脂錨固錨桿支護(hù)是可以有效地控制巷道變形。

三、結(jié)論與建議

1．由于煤層開采引起上覆巖層跨落、彎曲形成巖梁結(jié)構(gòu)，采動引起的側(cè)向支承壓力集中區(qū)位于煤柱附近上方的巖層中，并靠近采空區(qū)一側(cè)。應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力一般可達(dá)原巖應(yīng)力的2~3倍。

2．受動壓影響的煤巷變形受工作面開采影響很大，當(dāng)工作面靠近巷道時，巷道變形急劇增長，并隨著工作面的遠(yuǎn)離，變形趨于穩(wěn)定。其中靠近煤柱一側(cè)的幫由于受到較大的支承壓力，其變形要大于另一幫。

3．在護(hù)巷煤柱相對較寬的情況下，受動壓影響煤巷中使用高強(qiáng)度、全長樹脂錨固錨桿支護(hù)是可以有效的控制巷道變形的。

4．在既受動壓影響而且巷道寬度又較大的巷道中，錨桿支護(hù)的同時應(yīng)采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表，增大錨桿的承載面積，防止錨桿間小塊松石的冒落，大大改善錨桿系統(tǒng)的整體支護(hù)性能。

5．在巷道交叉點等有可能出現(xiàn)較大變形的地方，可以用錨索支護(hù)作為加強(qiáng)支護(hù)措施，提高錨網(wǎng)基本支護(hù)形成組合梁或組合拱結(jié)構(gòu)的抗彎能力，從而提高淺部圍巖的穩(wěn)定性，控制巷道變形。

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