祁虎根，宋純良

（1.霍州煤電安監(jiān)局，山西 霍州 031400；2.圣佛村職教中心，山西 霍州 031400）

隨著我國煤機(jī)裝備和開采工藝的不斷發(fā)展，單層可采煤層厚度在8m 以上特厚煤層綜放開采得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[1-2]。我國西部某礦3～5號煤層為特厚煤層，圍巖應(yīng)力來源特殊，煤層頂板含有多層炭質(zhì)泥巖夾層，總體結(jié)構(gòu)性差、強(qiáng)度低，且受火成巖侵入、烘烤等因素的影響，煤體破碎，節(jié)理發(fā)育，巷道圍巖穩(wěn)定性差，嚴(yán)重制約工作面通風(fēng)、運輸、設(shè)備穩(wěn)定，影響工作面安全高效開采[3-4]。本文以該礦30509回風(fēng)巷作為工程背景，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，研究分析巷道開挖過程中無支護(hù)條件下圍巖的變形破壞特征[5]。

1 工程概況

研究對象為我國西部某礦30509工作面，該工作面位于二水平三盤區(qū)，工作面東部和西部均為實體煤，南部為3～5 號煤層的輔運、膠帶、回風(fēng)三條大巷，北部為礦界煤柱。

該工作面采用大采高綜采放頂煤開采，埋藏深度307～454m，割煤高度為4m，放煤厚度為11.1m，走向長度約為1708m，傾斜長度為160m，煤層傾角為1°～8°，平均4°，屬近水平煤層，工作面回采巷道沿煤層底板布置，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為5.2m×3.6m，巷道在近距離上覆煤層采空區(qū)孤島煤柱下重疊布置，圍巖受疊加應(yīng)力程度較高；同時，厚頂煤巷道圍巖含2～3層炭質(zhì)泥巖夾層，每層泥巖厚度約為0.45m，距巷道頂板0.45～1.40m，煤層無基本頂，直接頂主要為泥巖，直接底主要為粉砂巖。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 有限元模型建立

以實際工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用有限元差分軟件FLAC3D建立三維實體模型，對巷道開挖后無支護(hù)條件下圍巖的基本破壞特征進(jìn)行數(shù)值分析。模型尺寸為60cm×50cm×35cm，研究區(qū)域的網(wǎng)格劃分較密，其它部位相對稀疏，網(wǎng)格共劃分為221000 個單元，232254 個節(jié)點。該模型上邊界表面施加荷載為35MPa，下部邊界取全約束位移邊界條件，前、后、左、右方向的位移限制水平方向移動。材料本構(gòu)關(guān)系滿足摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。建立的數(shù)值模型見圖1。

2.2 模型參數(shù)選取

數(shù)值模擬的結(jié)果很大程度上受巖體力學(xué)參數(shù)的影響，模型根據(jù)該礦區(qū)搜集的地質(zhì)資料及巖芯的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測試結(jié)果，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的公式[6-7]和FLAC提供的彈性力學(xué)公式[8]換算，得出模擬的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

為了直觀地了解30509工作面巷道圍巖動態(tài)變化，模擬過程中在巷道頂板上方0m、0.45m、0.9m、1.35m、1.8m和6.0m處布置水平觀測線，以觀測巷道開挖過程中的頂板上方一定范圍內(nèi)位移變化；并沿走向一定位置截取開挖過程中巷道圍巖的塑性破壞分布特征，以觀測巷道圍巖的破壞失穩(wěn)情況。

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

在沒有對巷道進(jìn)行支護(hù)情況下，巷道圍巖變形破壞特征如圖2所示。

從圖2a中可以看出，巷道開挖后，由于頂板巖層由煤層及軟弱夾層組成，其粘結(jié)強(qiáng)度相對較低，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，在2m 范圍內(nèi)各巖層之間出現(xiàn)不同程度分層現(xiàn)象，在2m之外區(qū)域，頂板巖層下沉量相對較小，與下方巖層出現(xiàn)明顯離層。由圖2b可知，在無支護(hù)的情況下，隨時間的增加頂板下沉量逐漸增大，變形速率較大，當(dāng)下沉量超過400mm 以后，變形量仍有增加，但增加速率明顯降低。由圖2c可知，由于軟弱夾層的存在，加之巷道兩幫變形加大了巷道跨度，使得巷道肩部塑性區(qū)域范圍向圍巖深部擴(kuò)展，進(jìn)一步加劇了頂板下沉。

上述分析表明，受到頂板中軟弱夾層的影響，巷道掘進(jìn)后在頂板巖層淺部出現(xiàn)分層下沉，并與頂板巖層深部產(chǎn)生明顯離層，頂板變形范圍較大，且變形在巷道肩部向圍巖深部擴(kuò)展，進(jìn)一步削弱了頂板的整體穩(wěn)定性；巷道掘進(jìn)初期變形速率較大，整體變形量大。因此，巷道支護(hù)的重點應(yīng)該是控制頂板變形，通過控制頂板使其淺部巖層不出現(xiàn)分層，并與深部巖層之間不產(chǎn)生離層。使巷道圍巖在較高預(yù)緊力作用下產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖冃巍?/p>

4 結(jié)論

(1)特厚煤層軟弱頂板回采巷道具有巖層之間離層現(xiàn)象明顯，塑形破壞嚴(yán)重，圍巖承載能力弱，巷道頂板變形嚴(yán)重的特征。

(2)現(xiàn)場生產(chǎn)時，應(yīng)加強(qiáng)回采巷道支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)力位移的監(jiān)測監(jiān)控，避免圍巖的過度變形破壞，且巷道支護(hù)時應(yīng)堅持高強(qiáng)恒阻讓壓互補的支護(hù)原則。