古山礦綜放工作面兩巷圍巖破壞分析

李志強　王愛文

摘要：本文結合古山礦工程地質條件，運用數(shù)值模擬方法，模擬分析了綜放工作面兩巷圍巖變形破壞特征，總結出古山礦綜放工作面兩巷圍巖的破壞規(guī)律與破壞特征。

關鍵詞：煤巷數(shù)值模擬破壞特征

1 綜放工作面兩巷圍巖變形特性

放頂煤工作面兩巷圍巖所在的煤系地層，煤體中存在著許多原生裂隙，對于實體煤巷道而言，在受開挖和回采影響以前，煤體處于一個穩(wěn)定的應力應變環(huán)境中，受掘進和回采工作面采動影響[1]，巷道表面煤體會在原生裂隙基礎上產生一些新裂隙，特別是受采動影響，在超前支承壓力作用下，巷道圍巖會產生大量新的裂隙，巷道變形會相對比較嚴重。圍巖變形對應力的反應比較敏感，加上煤體強度相對較低，其結果是圍巖的變形有兩個特點[2]：一是變形的程度相對較大；二是變形以圍巖塊體間的錯動和擴容為主。

2 065-2綜放工作面兩巷工程地質條件

2.1 工作面地質條件 古山礦三井是該礦主要生產礦井，生產能力60萬噸/年?？刹擅簩?-1、6-2，煤層厚度分別為12、24米，傾角平均為22度。煤層頂板為強度較低的白砂巖，底板為砂質泥巖，見煤層綜合柱狀圖1。

2.2 支護方式 工作面兩巷斷面形狀為梯形，凈斷面12平方米，支護方式為11#工字鋼。受采動壓力影響較大，巷道破壞嚴重，局部冒頂高達5米左右。已經嚴重影響到礦井的正常安全生產。初步分析其原因是：(①圍巖強度低，其煤質較松軟。②圍巖在支護中起著重要作用，支護在很大程度上是發(fā)揮圍巖的自承能力，而現(xiàn)有棚式支護，屬于被動支護不能有效的控制圍巖的變形。③經實測該礦井最大主應力為20MPa，應力水平比較高。

3 065-2綜放工作面兩巷圍巖破壞的數(shù)值分析

本文采用有限差分軟件FLAC，對古山礦梯形斷面11#工字鋼支護條件下的綜放工作面回采巷道進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)模擬結果分析總結出巷道破壞原因。模型依據(jù)巷道的實際地質條件建立，圍巖參數(shù)均為實驗和現(xiàn)場測試所得。

通過模擬，獲得了巷道在該支護條件下的圍巖應力圖和巷道表面位移曲線，具體見圖2～圖7。

3.1 應力分布特征

圖2為垂直應力分布云圖，圖3為水平應力分布云圖，由圖兩圖可知，由于巷道的開挖，形成一個空間，其原有應力狀態(tài)被改變，由原來的三向應力狀態(tài)變?yōu)閮上驊顟B(tài)，在巷道頂板中心處，垂直應力及水平應力均表現(xiàn)為零，說明在該處的圍巖破壞形式為拉破壞。在距巷道頂板中心1.7處出現(xiàn)大范圍高水平應力集中，而垂直應力相對較小，這說明在巷道頂板內部出現(xiàn)巖層的水平錯動，即巷道頂板內部可能產生離層或發(fā)生剪切破壞。其后應力有所降低，至巷頂5m處，圍巖基本不受巷道開挖的影響。巷道的四個角點有明顯的應力集中，且應力集中應力集中系數(shù)達到2.5，這說明梯形斷面巷道拐角處容易產生應力集中，應力集中值大于該處圍巖的強度時，該處圍巖就會產生屈服破壞，其破壞的主要形式為剪切破壞。

在巷道底板邊緣處水平應力和垂直應力集中程度都比較小，但在底板深處出現(xiàn)大范圍的高水平應力集中，并且垂直應力相對要小得多，同樣，此現(xiàn)象說明巷道底板也是承受著較大的水平壓應力。與頂板所不同的是該巷道沿煤層底板掘進，其底板巖層強度高于煤層，所能承受的強度比較大。

對煤幫而言，從圖中可以看出垂直應力在巷幫1～1.5處出現(xiàn)大范圍應力集中，應力集中系數(shù)為2，而水平應力在此范圍內其數(shù)值接近或為零，此現(xiàn)象表面巷幫主要受垂直壓力而產生劈裂破壞，將其由直變曲，改變周邊應力的量值和方向，特別是改變危險部位兩幫中點處圍巖的應力狀態(tài)，其結果是造成巷道片幫或是棚腿折斷等。

3.2 變形分析 變形是衡量支護效果和圍巖穩(wěn)定性的主要指標之一。前面的分析是的巷道圍巖應力分布規(guī)律，而應力是圍巖產生變形及位移的根本原因。因此，很有必要對變形特征進行研究，評價其支護性能的好壞。

巷道破壞主要是頂板沿Y軸方向發(fā)生冒頂、幫部沿X軸方向發(fā)生坍塌、底板在地應力下發(fā)生底鼓等幾種形式，因此主要看這幾個方向的位移。

由圖4~7可以很清楚的看到，在采用梯形斷面11#工字鋼支護時巷道頂板的位移為110mm，底鼓量為45mm，其兩幫收斂量為130mm，總體上看巷道斷面在收斂，如果再承受采動影響，巷道的變形量會更加嚴重，以至于不能滿足通風、行人和運輸?shù)囊?，可見該支護不能很好的控制巷道變形。

4 結論與建議

綜上分析可以得出：在現(xiàn)有的支護條件下，梯形斷面巷道容易形成高應力集中，巷道形狀是該巷道破壞的原因之一。此外，所采用的11#工字支護形式屬于被動支護，不能很好的利用圍巖的自撐能力，不從根本上抑制巷道變形收斂。因此，針對以上分析建議選擇合理的巷道形狀，采用對圍巖控制能力較強的錨桿網(wǎng)索支護形式。

參考文獻:

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].煤炭工業(yè)出版社.1984.2.

[2]馬念杰，侯朝炯.基采準巷道礦壓理論及應用[M].北京煤炭工業(yè)出版社.1995.