特厚復(fù)合堅(jiān)硬頂板承載特性數(shù)值模擬研究

楊繼飛

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)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(jì)建設(shè)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(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)組成[2-3]。目前，許多學(xué)者從頂板巖性、厚度、地應(yīng)力等影響因素對復(fù)合頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究與探討[4-5],但對復(fù)合頂板承載特性研究較少。因此，對特厚復(fù)合堅(jiān)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(fēng)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(shí)間快、變形持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著采煤工作面的正常生產(chǎn)，且復(fù)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(fēng)巷道斷面尺寸為寬4.5 m，高3.2 m，圍巖物理力學(xué)性質(zhì)見表1。影響特厚復(fù)合頂板變形破壞的因素復(fù)雜，而特厚復(fù)合頂板的主要承載結(jié)構(gòu)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(fù)合頂板的穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦安全和巷道的掘進(jìn)，為此研究特厚復(fù)合堅(jiān)硬頂板的承載特性。

為了研究某礦040102 工作面復(fù)合層狀頂板的變形破壞特征，采用FLAC3D 數(shù)字模擬軟件進(jìn)行分析研究，通過模擬巷道復(fù)合頂板在無支護(hù)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(xué)試驗(yàn)匯總

2 特厚復(fù)合堅(jiān)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(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)值計(jì)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(shí)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(cè)壓系數(shù)觀察無支護(hù)條件下巷道復(fù)合頂板的位移及應(yīng)力變形規(guī)律，進(jìn)而對特厚堅(jiān)硬頂板的承載特性進(jìn)行分析。

圖2 煤巷特厚復(fù)合頂板數(shù)值模型圖

當(dāng)側(cè)壓系數(shù) λ 分別取為 0、0.6、1.5 及 2.0 時(shí)，無支護(hù)條件下巷道復(fù)合頂板的的豎向位移云圖，如圖3 所示。

圖3 不同側(cè)壓條件下頂板豎向位移（m）云圖

由圖3 可以看出，在不同側(cè)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(shí)際工程中，側(cè)壓為0 的工況基本不存在。根據(jù)圖3-1、圖3-2 可知，當(dāng)λ＜1 時(shí)，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(dāng)λ＞1 較大時(shí)，隨側(cè)壓系數(shù)增大復(fù)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(kuò)大。特別的當(dāng)λ=2 時(shí)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(yīng)力隨側(cè)壓系數(shù)的增大而增大，在一定范圍內(nèi)由于壓實(shí)作用復(fù)合頂板下位的巖體抗彎能力得以增強(qiáng)，一旦側(cè)壓增大到某一極限值，復(fù)合頂板下位的巖體由于承受過大水平擠壓力，導(dǎo)致巖體破壞。

當(dāng)側(cè)壓系數(shù)分別取為 0、0.6、1.5 及 2 時(shí)，無支護(hù)條件下巷道復(fù)合頂板的垂直應(yīng)力云圖，如圖4 所示。

圖4 不同側(cè)壓條件下頂板垂直應(yīng)力云圖

當(dāng)側(cè)壓系數(shù)分別取為 0、0.6、1.5 及 2 時(shí)，無支護(hù)條件下巷道復(fù)合頂板的水平應(yīng)力云圖，如下頁圖5所示。

綜合圖4、圖5，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ=0 時(shí)垂直應(yīng)力峰值位于巷道兩側(cè)，垂直應(yīng)力整體呈“單峰”狀分布，應(yīng)力峰值位于巷幫兩側(cè)約3 m 深處，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，巷幫側(cè)支承應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)；相應(yīng)的覆巖中水平應(yīng)力隨λ 增大巷幫側(cè)支承應(yīng)力影響區(qū)逐漸減小并消失，而巷道頂?shù)装逯袘?yīng)力峰值影響區(qū)范圍增大，并向深部轉(zhuǎn)移。

因此，巷道復(fù)合頂板巖層的承載特性為：當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較小時(shí)，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(jìn)而出現(xiàn)離層降低頂板巖體的承載能力；相反，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較大時(shí)，水平應(yīng)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(yīng)力增大和巖層整體性增強(qiáng)，其破壞范圍會有所減小。

圖5 不同側(cè)壓條件下頂板水平應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

通過對在不同側(cè)壓力條件下復(fù)合頂板巖層變形破壞特征分析，可以看出：

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

2）側(cè)壓對復(fù)合頂板巖層下沉的影響規(guī)律是：側(cè)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(cè)壓系數(shù)越大，頂板受兩幫擠壓越大，導(dǎo)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，