特厚復合堅硬頂板承載特性數(shù)值模擬研究

楊繼飛

（山西煤炭進出口集團有限公司， 山西 太原 030024）

引言

煤炭資源作為中國的主要能源，在經(jīng)濟建設中具有舉足輕重的地位。我國大約三分之一的煤層頂板屬于復合頂板，其覆蓋面廣[1]。一般由互相間隔的軟弱巖層或多層軟弱巖層疊合而成的復合結構組成[2-3]。目前，許多學者從頂板巖性、厚度、地應力等影響因素對復合頂板的穩(wěn)定性進行了研究與探討[4-5],但對復合頂板承載特性研究較少。因此，對特厚復合堅硬頂板承載特性數(shù)值模擬展開研究。

1 研究背景

某礦現(xiàn)開采4 號煤層040102 工作面，該工作面回風巷道由于頂板條件特殊，巷道開挖后表現(xiàn)出圍巖變形量大、變形顯現(xiàn)時間快、變形持續(xù)時間長的特點，嚴重制約著采煤工作面的正常生產(chǎn)，且復合層狀頂板拉裂后，頂板下沉量較大，且局部已發(fā)生明顯破壞，如圖1。

圖1 層狀頂板拉裂破壞圖

040102 工作面回風巷道斷面尺寸為寬4.5 m，高3.2 m，圍巖物理力學性質(zhì)見表1。影響特厚復合頂板變形破壞的因素復雜，而特厚復合頂板的主要承載結構為疊（組）合巖梁，對控制巷道頂板變形及礦壓顯現(xiàn)起到了決定性作用，而特厚復合頂板的穩(wěn)定性直接關系到煤礦安全和巷道的掘進，為此研究特厚復合堅硬頂板的承載特性。

為了研究某礦040102 工作面復合層狀頂板的變形破壞特征，采用FLAC3D 數(shù)字模擬軟件進行分析研究，通過模擬巷道復合頂板在無支護條件下的變形位移破壞規(guī)律，分析巷道在開挖及采動影響后圍巖位移及變形破壞的過程。

表1 巖石物理力學試驗匯總

2 特厚復合堅硬頂板承載特性數(shù)值模擬研究

根據(jù)表1 按照4 號煤層厚度及巖石物理力學實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)值計算模型，如圖2。為了模擬上覆巖層頂板巖層壓力在模型上邊界施加垂直載荷，由某礦的實際工程地質(zhì)條件及巷道斷面尺寸大小比例，建立矩形巷道模型，通過改變側壓系數(shù)觀察無支護條件下巷道復合頂板的位移及應力變形規(guī)律，進而對特厚堅硬頂板的承載特性進行分析。

圖2 煤巷特厚復合頂板數(shù)值模型圖

當側壓系數(shù) λ 分別取為 0、0.6、1.5 及 2.0 時，無支護條件下巷道復合頂板的的豎向位移云圖，如圖3 所示。

圖3 不同側壓條件下頂板豎向位移（m）云圖

由圖3 可以看出，在不同側壓系數(shù)條件下，開挖巷道對上覆巖體的影響范圍和頂板的下沉量均有影響。實際工程中，側壓為0 的工況基本不存在。根據(jù)圖3-1、圖3-2 可知，當λ＜1 時，巷道圍巖表現(xiàn)出頂板整體位移量較大，但兩幫位置位移量較小；當λ＞1 較大時，隨側壓系數(shù)增大復合頂板上部巖層的位移量逐漸減小，但巷道頂板及兩幫的位移卻較大且位移范圍逐漸擴大。特別的當λ=2 時巷道頂板下沉量為79.5 mm。這種現(xiàn)象可以解釋為：由于巖體中的水平應力隨側壓系數(shù)的增大而增大，在一定范圍內(nèi)由于壓實作用復合頂板下位的巖體抗彎能力得以增強，一旦側壓增大到某一極限值，復合頂板下位的巖體由于承受過大水平擠壓力，導致巖體破壞。

當側壓系數(shù)分別取為 0、0.6、1.5 及 2 時，無支護條件下巷道復合頂板的垂直應力云圖，如圖4 所示。

圖4 不同側壓條件下頂板垂直應力云圖

當側壓系數(shù)分別取為 0、0.6、1.5 及 2 時，無支護條件下巷道復合頂板的水平應力云圖，如下頁圖5所示。

綜合圖4、圖5，當側壓系數(shù)λ=0 時垂直應力峰值位于巷道兩側，垂直應力整體呈“單峰”狀分布，應力峰值位于巷幫兩側約3 m 深處，隨著側壓系數(shù)增大，巷幫側支承應力影響范圍逐漸增大，且在巷道頂?shù)装鍘r層中逐漸出現(xiàn)應力集中區(qū)；相應的覆巖中水平應力隨λ 增大巷幫側支承應力影響區(qū)逐漸減小并消失，而巷道頂?shù)装逯袘Ψ逯涤绊憛^(qū)范圍增大，并向深部轉移。

因此，巷道復合頂板巖層的承載特性為：當側壓系數(shù)較小時，即頂板兩端所受水平擠壓力較小，上覆巖層在垂直載荷的作用下，各巖層底部發(fā)生拉伸破壞，進而出現(xiàn)離層降低頂板巖體的承載能力；相反，當側壓系數(shù)較大時，水平應力過大，即頂板兩端所受水平擠壓力較大，頂板下部巖層會發(fā)生擠壓屈服破壞，而頂板上部巖層由于水平應力增大和巖層整體性增強，其破壞范圍會有所減小。

圖5 不同側壓條件下頂板水平應力云圖

3 結論

通過對在不同側壓力條件下復合頂板巖層變形破壞特征分析，可以看出：

1）復合頂板巖層的承載特性與水平應力密切相關。λ＜1，復合頂板只受垂直載荷的影響，可能發(fā)生拉伸破壞；λ≥1，復合頂板即受垂直載荷的影響又受水平應力的影響，容易發(fā)生屈服破壞，故降低水平應力有利于巷道復合頂板巖層的穩(wěn)定。

2）側壓對復合頂板巖層下沉的影響規(guī)律是：側壓系數(shù)越小，頂板上部巖層及下部巖層受擠壓作用越小，故整體性較好；側壓系數(shù)越大，頂板受兩幫擠壓越大，導致上下巖層之間容易產(chǎn)生離層，增加了巷道的維修頻率，不利于巷道的穩(wěn)定，