基于ANSYS的深部復合頂板穩定性影響因素分析

徐 盼 吳德義

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

基于ANSYS的深部復合頂板穩定性影響因素分析

徐 盼 吳德義

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

以淮南礦區口孜東礦11-2煤行人上山巷道為例，建立合理數值計算模型，利用ANSYS有限元軟件模擬深部復合頂板巷道位置、兩幫巖性、不同支護方式（無支護、錨桿支護、錨桿索支護）、有無預緊力時結構面分離范圍及頂板層間離層大小，得出巷道位置、巷道兩幫巖性、支護條件、錨桿索預緊力對結構面的分離范圍和層間離層有顯著影響，巷道位置、增加預緊力對其影響最為顯著，模擬結果為確定其頂板離層臨界值提供了依據。。

ANSYS；支護條件；結構面；層間離層

隨著煤礦開采深度的增大，復合頂板煤巷的數量和比例不斷增加[1]，復合頂板極易離層、剝落，難以形成承載結構，嚴重影響正常生產[2]。復合頂板亦稱為離層型頂板，由不同巖性的巖層組成，不同巖層之間存在微小分離面或者存在軟弱節理，結構面易發生離層，當不同巖性差別較大時，粘結力很小極易產生分離，當結構面分離范圍及層間離層超過一定范圍時巖層易在結構面上發生分離而垮落，并且事故發生前征兆并不明顯，事故的發生具有突然性，造成的后果也比較嚴重。在近幾年發生的冒頂事故中，很大一部分都屬于復合頂板冒頂事故[3]。李冰冰《深井回采巷道頂板離層與支護技術研究》在分析大量工程實測數據和現場調查的基礎上，根據理論分析，對深井回采巷道頂板離層與支護技術進行了深入細致地研究，得出了離層形成的力學機理和條件[4]；吳德義針對煤層埋置深度不同，初步分析了淺部開采與深部開采煤層頂板離層力學機制的不同[5]；Shou.Gen.Chen采用數值模擬對結構面離層進行了分析[6]；S.LIN分析了復合頂板層面位移不連續性和應力變化特點[7]。但對于頂板離層的量化認識還未深入。因此研究深部圍巖復合頂板，為采用合理措施保持其它礦區煤層頂板離層穩定提供依據，結合頂板離層現場觀測可較準確確定頂板離層臨界值，對保持類似巷道穩定具有工程及科學意義。

1.數值模型的建立與圍巖力學參數的選取

（1）數值模型的建立

圖2 計算模型（巷道布置于煤頂板中）

文章以口孜東礦11-2煤為例，11-2煤行人上山掘進時，巷道布置于煤層中以及掘進后期巷道布置于煤層頂板，根據礦區地質柱狀圖，確定巷道兩幫及底板巖性、復合頂板的組成，各巖層之間建立結構接觸面，合理建立數值計算模型如下圖1、圖2。根據巷道埋深取原巖應力P= 18.6MPa，均勻分布于模型上邊界面。模型中巖層巖性從上至下分布為砂質泥巖、泥質砂巖、泥質砂巖、砂巖、泥巖、11-2煤、砂質泥巖。為保證數值計算結果收斂及精度，選擇PLANE82網格單元，結構面間采用接觸對單元 TARGE169 和 CONTA172模擬，考慮到巷道的無限長，可以簡化為平面應變問題并設置為大變形求解，采用FULL N-R迭代方法[8]。當上下兩層巖性相差較大，數值模擬時可能出現上部較軟弱巖層嵌入下部堅硬巖層中，所以模擬時應正確選擇結構面法向剛度并作必要的數據修正。

（2）圍巖力學參數的選取

通過現場取芯，在實驗室中將試件加工成標準試件即直徑50mm，高度100mm。對試件的彈性模量、抗拉強度及泊松比等力學參數的測定采用TAW 2000型微機控制電液伺服巖石三軸剪切復合試驗機，通過YDS攜帶式巖土力學性質多功能試驗儀測定巖石內聚力和內摩擦角。根據實驗結果，11-2煤巷頂底板巖性力學參數如表1。

表1 11-2煤巷頂底板巖性力學參數

2.不同條件頂板離層分析

為研究11-2煤巷道位置、不同支護條件、兩幫巖性對頂板離層穩定性的影響，以圖1、圖2所示數值模型為基礎，比較巷道位置、有無預緊力，支護強度分別為無支護、錨桿索支護、錨桿支護、兩幫巖性由煤變為砂巖時結構面間的法向應力與頂板層間離層分布規律。

3.結果與分析

巷道布置于煤層中，巷道兩幫巖性為煤、采用錨桿索支護時巷道圍巖第一主應力及垂直方向位移（Y方向）分布模擬結果如圖3所示。

圖3 錨桿索支護頂板第一主應力場、垂直位移分布模擬結果

由數值模擬結果可以看出：頂板與之間結構面的第一主應力為正值，即呈現拉應力，頂板關鍵層位于頂板鄰近的錨固區內第一層巖層。不同支護條件（無支護、錨桿支護、錨桿索支護）時，結構面法向應力及頂板層間離層如圖4。巷道兩幫巖性由煤變為砂巖時結構面法向應力及頂板離層分布規律如圖5。有無預緊力時結構面法向應力及頂板離層分布規律如圖6。巷道布置于煤頂板且無支護時，第一主應力數值模擬結果如圖7。

圖4 不同支護方式結構面法向應力與離層分布

圖5 幫部不同巖性時結構面法向應力與離層分布

圖6 有無預緊力作用時結構面法向應力與離層分布

圖7 巷道布置于煤層（無支護）

數值模擬結果表明：

（1）錨桿、錨桿索支護可以減小結構面拉應力的范圍。由于錨桿索的加固作用，在巷道周圍形成一個整體、穩定的巖石帶，出現分離（拉應力）的結構面范圍減小，同時使得頂板層間離層值減小；

（2）巷道兩幫巖性由較軟弱的煤變為較硬的砂巖時，結構面分離范圍減小了約40%，頂板塑性變形量減小，層間離層值由3.6mm減小為3.2mm，降低了12.5%；

（3）錨桿索支護時增加預緊力對于減小結構面分離范圍和頂板層間離層值效果更好，層間離層值減少了約30%；

（4）頂板巖層組成影響關鍵層位置及不穩定發展趨勢，頂板關鍵層主要由巖層距巷道頂板高度、巖層厚度及巖層力學性質確定。臨近巷道軟弱薄層部位易產生不穩定層間離層；

（5）當巷道布置于煤層頂板且無支護時，鄰近巷道頂板三層結構面都出現了一定范圍的拉應力并產生了較為顯著的層間離層，但拉應力范圍減小了約22%。

4.結論

數值模擬結果表明深部開采復合頂板巷道位置、增加預緊力對結構面的分離范圍及層間離層值影響最為顯著。巷道布置于煤層中時，頂板關鍵層位于頂板鄰近的錨固區內第一層巖層。巷道布置于煤層頂板時，雖然巷道頂板三層結構面都出現了拉應力，但拉應力范圍減小了約22%，層間離層值有一定減少，頂板關鍵層位置也發現了改變。巷道兩幫巖性由較軟弱的煤變為較硬的砂巖時，結構面分離范圍減少了約40%，但層間離層值并未顯著減少。對類似巷道施工、支護時，應盡量將巷道布置于堅硬巖層中，并選取合理支護參數，增加預緊力。

[1]賈明魁.錨桿支護煤巷冒頂成因分類新方法[J].煤炭學報，2005, （5）:26-28.

[2]崔希鵬,谷拴成,蘇鋒.煤巷復合頂板變形破壞機理及支護技術[J].煤炭科學技術,2013,（11）:56-59+89.

[3]吳紅梅.復雜系統脆性理論及在煤礦事故系統中的應用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2009.

[4]李冰冰.深井回采巷道頂板離層與支護技術研究[D].淮南：安徽理工大學,2008.

[5]吳德義，程樺.軟巖允許變形合理值現場估算[J].巖土工程學報，2008，30（7）：1029-1032.

[6]SHOU Gen-chen,Hua-gu.Numerical simulation of bed separation develop-ment and grout injecting into separations[J].Geotech Geol Eng,2008,26(3):375-385.

[7]S.LIN.Displacement discontinuities and stress changes between roof strata and their influence on longwall mining under aquifers [J].Geotech-nical and Geological Engineering,1993,1(3):37-50.

[8]王國強，等.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安：西北工業出版社，2000.

[9]田寧.深埋坑道復雜圍巖組合試件巖爆傾向性試驗研究[J].隧道建設，2012，(4):486-489+494.

[10]曹云鋼.巖體結構面抗剪參數試驗研究[D].重慶：重慶交通大學,2013.

Deep Compound Roof Stability Influencing Factor Analysis Based on ANSYS

Xu Pan,Wu De-yi
（Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230601,China）

Taking the 11-2 coal layer pedestrian mountain roadway in Kou-Zi Dong mine as example to establish reasonable numerical model,using the finite element software ANSYS to simulate roadway position,two deep compound roof lithology,different support ways(no support, bolting, anchor lever cable support), with or without preload when separation range between structure and roof surface layer delamination size,draw two sides roadway rock,support conditions,bolt cable preload on the scope and structure of the surface of separation layer rooms have a significant effect separation,especially it is most significant to increase epreload.The result could offer basement for ensuring critical value of roof separation.

ANSYS;suuport method;structural plane;interlayer abscission

TS653

A

1672-0547（2015)04-0105-03

2015-07-10

徐 盼（1992-),男,安徽合肥人,安徽建筑大學土木工程學院碩士研究生,研究方向：地下結構。

國家自然科學基金項目“深部煤巖穩定性量化判別研究”（51374009)。