厚煤层大断面煤巷围岩松动圈分布范围及形成过程研究

厚煤层大断面煤巷围岩松动圈分布范围及形成过程研究
解鹏
【摘要】采用数值模拟软件，对厚煤层大断面煤巷围岩稳定性进行分析研究，得出厚煤层大断面围岩松动圈大致形状。

同时，将松动圈形成过程归纳总结为三个阶段并详细分析其形成机理。

【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2014(000)007
【总页数】3页(P54-55,78)
【关键词】数值模拟;厚煤层;大断面;松动圈
【作者】解鹏
【作者单位】潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治 046031
【正文语种】中文
【中图分类】TD353
众所周知，采矿和地下工程都需要在地下开挖，最终形成一定大小的空间，并保持其稳定性。

但是在开挖后，将会破坏围岩原有的三向应力平衡状态，引起应力的重新分布和岩体强度的变化，发生变形甚至破坏，最终在开挖的空间周围形成一个环状破裂带，即围岩松动圈［1－2］。

为了提升煤矿产量和解决通风问题，越来越多的矿井采用大断面巷道。

数值模拟结果表明:随着煤巷断面的增大，巷道围岩应力集中程度明显增加，两帮移近量和底
鼓量也显著增加［3］。

衡量巷道稳定性的指标因素有很多，并且现有手段很难将其逐一准确测量，而松动圈是各因素共同作用的结果，因此对大断面煤巷围岩松动圈的研究具有重要的现实意义。

目前，有关对大跨度煤巷围岩松动圈的研究尚少。

为此，本文以国内某大型煤矿105工作面503巷围岩地质条件为背景，应用FLAC3D数值计算方法，研究大断面煤巷围岩塑性区破坏规律及松动圈特征，为确定合理经济的支护方案提供有力依据。

1 生产地质条件
该矿是一座年产量达500万t的现代化合资煤矿，主要开采煤层为3号煤层，倾角小于8°，属近水平煤层，平均厚度在5.0 m左右，煤层结构较简单，有1～3层不稳定夹矸。

顶、底板以层状泥岩、砂岩为主，煤层层理发育。

503巷形状为矩形，沿3号煤层底板掘进，埋深260 m左右，断面尺寸3.5 m ×5.5 m(高×宽)。

各岩层厚度及力学参数见表1。

表1 岩层厚度及力学参数岩层厚度/m弹性模量/GPa单轴抗压强度/MPa抗拉强度/MPa /MPa粘聚力泊松比内摩擦角/(°)密度/(kg·m－3)砂质泥岩5 3 11 1 2.1 0.25 32 2660粉砂岩 4 4.5 15 1.6 4 0.22 35 2880细砂岩 6 8 33 2.8 9 0.2 37 2680粉砂岩 3 4.5 15 1.6 4 0.22 35 2880泥岩 0.5 2.6 5.80.341.8 0.27 30 26403 号煤 5 1.5 5 0.3 1.5 0.29 28 1500泥岩 0.5 2.6 5.80.341.8 0.27 30 2640砂质泥岩 2.5 3 11 1 2.1 0.25 32 2660粉砂岩 12 4.5 15 1.6 4 0.22 35 2880石灰岩3 4.4 19 2 5.3 0.23 33 2700
2 模型的建立
依据503巷生产地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立计算模型。

模型底部固定，上边界施加上覆岩层载荷6.6 MPa，侧压系数取1.5。

计算模型总体尺寸为60.5 m×2 m×41.5 m，巷道周围网格划分较密集，远处网格划分较稀疏，共划分16200个单元，计算初始模型见图1。

图1 计算初始模型
模拟模型采用弹塑性材料，运用Mohr－Coulomb屈服准则判断岩石是否发生破坏，即:
式中:σ1、σ3分别为最大和最小主应力;Nφ=(1+sinφ)/(1－sinφ);C、φ分别为材
料的粘结力和内摩擦角;σt为抗拉强度。

当fs=0时，材料将发生剪切破坏;ft=0时，材料将产生拉伸破坏。

3 巷道围岩松动圈分析与研究
3.1 围岩松动圈判定
根据松动圈的定义可知松动圈即为处于破裂状态的围岩，故本文借鉴文献［2］中关于破裂区的描述，围岩应力低于原岩应力的区域为破裂区，建立判别准则，即:
σx，σy分别为巷道开挖后水平、垂直应力;px，py分别为原始水平、垂直应力。

3.2 围岩松动圈形状及范围确定
图2为巷道水平和垂直应力等值线图。

根据上述准则，将符合条件的所有点用光
滑曲线连接起来，如图3所示。

由图3可以看出，松动圈外轮廓为一近似椭圆。

巷道两帮和顶板松动范围较大，
两帮和顶板中部最大松动深度分别为1.6 m和1.75 m。

相比之下，底板松动范围要小得多。

根据文献［1］的巷道围岩松动圈分类表，厚煤层大断面煤巷属于大松动圈Ⅳ类一般不稳定围岩(软岩)，宜采用的支护理论为锚杆组合拱等理论。

由此可见，两帮和顶板是厚煤层大断面煤巷维持稳定的关键部位，同时也是支护工作的重点。

图2 水平应力和垂直应力等值线
图3 巷道围岩松动圈形状
3.3 松动圈形成过程及机理
巷道围岩应力是逐渐向深部转移的，因此松动圈是逐渐形成和扩展的。

数值模拟过程也验证了这一点。

经归纳总结，这一过程大致分为三个阶段:
1)巷道开挖后，周边围岩应力重新分布，达到或超过岩体极限强度后发生塑性变形破坏，形成初始松动圈。

破坏松动先在浅部围岩中发生，两帮先破坏，顶板再破坏，基本均为拉破坏，如图4(a)所示。

2)破坏向深部延续，顶板拉破坏区急剧扩大，破坏深度达1.5 m。

随后两帮出现大范围的剪破坏区。

同时顶板拉破坏区外和四角处有少数单元呈剪破坏，如图4(b)
所示。

由于巷道跨度比较大以及夹矸、层理等弱面的存在，顶板弯曲下沉、离层情况严重，在顶板下部形成正应力(即拉应力)，极易出现顶板拉破坏现象。

另外，在实际巷道岩层中会存在大量夹矸、层理、裂隙等结构弱面，离层情况严重［3］，这一客观事实会加剧顶板受拉破坏。

从圆形孔应力解的分析中可知，开巷后径向应力基本为零，切向应力却为原岩应力的数倍［2］，这两个主应力的巨大差异促使围岩剪破坏区的形成。

松动圈主要是在这一阶段形成。

3)这一阶段主要是肩角和顶板拉破坏区外继续出现小范围的剪破坏，逐渐形成一个环状的区域，即松动圈形成最终的轮廓，如图4(c)所示。

图4 松动圈形成过程
肩角处虽有大范围屈服单元，但其始终处于良好的三向约束状态，应力高，因此此处围岩强度和承载能力仍比较大，不应全部划入松动圈范围。

底板岩层与顶煤相比，强度明显高于后者，在松动圈厚度值上反映为顶煤松动圈远大于底板。

4 结语
通过利用数值计算软件对厚煤层大断面煤巷松动圈进行了分析研究，得出以下主要结论:
1)根据松动圈的定义，建立了围岩松动圈判定准则，并根据准则，得出厚煤层大断面煤巷围岩松动圈大致形状。

2)经归纳总结，将松动圈形成过程分为三个阶段，并分析每个阶段形成机理。

3)大断面煤巷围岩控制的重点是两帮和顶板，并应严密监控巷道各部分稳定情况，严防局部围岩失稳引起巷道整体垮塌。

参考文献:
［1］董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2001.
［2］钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2010.
［3］张百胜，康立勋，杨双锁.大断面全煤巷道层状顶板离层变形模拟研究［J］.采矿与安全工程学报，2006，26(3):264－267.
［4］刘刚，宋宏伟.煤巷围岩松动圈规律研究［J］.煤炭学报，2002，27(1):31－35.。