近距离煤层采空区下回采巷道变形过程浅析

近距离煤层采空区下回采巷道变形过程浅析摘要：近距离煤层采空区下回采巷道，由于工作面开采过后受侧向支承压力和采动的影响较大，因此，研究巷道及支护体发生变形破坏的过程，分析倾斜煤层巷道静压条件下变形破坏的主控因素，为分析支护对策和优化支护参数提供科学依据。

关键词：近距离煤层回采巷道巷道变形

1 概述

采用midas/gts和flac3d大型的有限差分软件[1]，以93下05工作面上顺槽为分析对象，建立93下05工作面上顺槽地质工程模型和常规锚网支护（南屯矿较为常用）力学模型，研究巷道及支护体发生变形破坏的过程，分析倾斜煤层巷道静压条件下变形破坏的主控因素，为分析支护对策和优化支护参数提供科学依据。

2 计算模型的建立

为了详细了解93下05工作面上顺槽巷道开挖后的应力、应变分布情况，本研究根据巷道赋存地质情况及巷道实际形状、大小，针对常规锚网支护方案，利用midas/gts软件和有限差分软件

flac3d建立了三维实体模型，来进行开挖后的动态模拟。

巷道几何模型、地质界面的生成均在midas/gts中完成，网格划分后保存单元和节点几何信息，然后通过excel处理后转化为flac3d的前处理数据格式，在flac3d中采用import grid命令导入这些数据之后生成的网格模型见图2.1～2.2所示。

常规支护方案的工程地质力学模型和支护工况模型：

常规支护方案的模型由六面体单元构成，计算范围长×宽×高=55m×12m×30m，共划分69800个单元，75030个节点。该模型侧面限制水平移动，底部固定，模型上表面为应力边界，施加的荷载为前期分析巷道合理布置位置计算出的荷载。采用shell单元模拟钢筋网，采用cable单元模拟左旋等强螺纹钢锚杆单元，并采用fish 语言编辑程序模拟锚杆的受力特性。材料破坏符合mohr-coulomb 强度准则。将采空区冒落的矸石考虑为一种松散介质。宏观上它对顶板支承的力学作用可近似地用弹性支承体表示。然而，随着工作面的推进，矸石在覆岩作用下逐步被压实，材料的密度ρ、弹性模量e和泊松比μ随时间的推移而增加。ρ、e和μ的变化规律参考已有文献的研究成果[3]，由以下经验公式计算：

ρ=1600+800（1-e-1.25t）（kg/m3）

ε=15+175（1-e-1.25t）（mpa）

μ=0.05+0.2（1-e-1.25t）

式中：时间t的单位为a，以上几式反映出ρ，e和μ随时间呈指数变化关系，最终达到恒值。根据各工作面停采时间，9307采空区、93上05采空区、93上03采空区的时间t值分别取7.0a、4.8a、2.6a。

3 常规支护方案模拟结果分析

3.1 位移场分布规律分析从巷道位移可以看出，采用矿用常规支护的巷道在掘进期间位移量较大，其中最大顶板下沉量达到359mm，底臌量达到137mm，顶底相对位移量达到596mm；煤柱一侧

的帮部最大位移量达到380mm，工作面一侧的最大位移量也达到151mm，两帮移近量达到531mm，巷道片帮严重，且煤柱侧帮部变形量明显大于工作面侧的帮部变形量。采用矿用常规支护巷道在掘进期间围岩变形量比较大。变形的特点呈现出顶板下沉量和煤柱侧帮部位移量相对较大，由于受到应力集中及岩层结构效应的影响，顶板下沉和底臌具有明显的非对称性，巷道煤柱侧帮部位移量较工作面侧帮部位移大的多，巷道变形呈现出非对称变形破坏特征，且巷道围岩变形呈现整体收缩的特点。

3.2 应力场分布规律分析巷道掘进后，巷道两帮形成垂直应力集中区，尤以煤柱侧应力集中程度最为明显，垂直应力集中系数达到3.96，巷道顶板沿岩层倾斜方向形成水平应力集中区，在两个帮角和顶板两侧深处形成剪应力集中区，顶板剪应力集中程度较大。与普通岩石大巷不同的是，在煤柱侧帮部出现剪应力集中区，相应地引起了煤柱的塑性区的扩大及剪胀破坏的发生。巷道周边围岩应力集中使得顶板和煤柱侧帮部的变形较大。

3.3 破坏场分布规律分析近距离煤层采区下巷道的破坏是一

个复杂的变形过程，巷道开挖后围岩应力状态在原采动引起的集中应力分布下实现小范围的重新分布，塑性区进而得以进一步发展。93上05工作面回采后，3上煤层的底板损伤严重，出现部分塑性区；9307工作面由于回采时间较长，底板塑性区恢复弹性工作状态，工作面帮部由于受到3上煤柱集中应力的影响，仍处于塑性工作状态。巷道掘进后，由于实施支护后支护体与围岩未能实现耦合作用，

无法充分发挥支护作用，围岩自身状况也在不断恶化，首先在围岩表层发生破坏，并逐步向围岩深部扩展，造成93上05工作面和9307工作面煤柱塑性化程度进一步提高，巷道顶板和煤柱侧帮部塑性区扩展并与之前形成的塑性区贯通，裂隙发育程度加剧，巷道的稳定性无法得到控制，最终将发展到破坏失稳。

3.4 支护体受力分析给予锚杆施加6t的预紧力，当围岩变形到一定程度时，支护体最大受力达到13.5t，此时围岩的变形仍在发展，且锚杆发生严重的弯曲变形，支护体不能与围岩实现协调变形，当围岩变形到一定程度，裂隙岩体不能提供给锚杆锚固段足够的粘结作用力时，锚杆会脱离岩体而失去应有的支护作用和对围岩的约束和控制作用，围岩由三向受力状态变为单向或双向受力状态，围岩变形加剧，最终导致巷道失稳。

4 结论

通过上述对数值模拟结果的分析，研究巷道位移场的变化、塑性区的产生和扩展过程以及支护体受力的变化，发现近距离煤层巷道在矿用常规支护工况下，变形破坏是一个渐变的恶性循环的过程：

巷道开挖→围岩应力状态改变→浅部围岩变形未能有效控制，浅部围岩出现塑性松动圈→顶板岩体开始滑移→帮部煤岩体垂向和水平位移同时增加→底板塑性区煤岩体开始滑移，底板开始向巷道内鼓起→围岩塑性松动圈逐步扩展转移至深部，塑性区与顶板及帮部已形成的塑性区连结，裂隙贯通→顶板岩层加速失衡→帮部岩

体垂向和水平位移加剧→底板塑性区逐步扩大，底臌不断增大→加剧顶板和帮部变形→支护体失效，直至巷道最终破坏。

参考文献：

[1]刘波，韩彦辉.flac原理、实例与应用指南.北京：人民交通出版社，2005.

[2]n mohammand，the relation between in situ and laboratory rock properties used in numeritc modeling，int，j，rockmech，min， sci，1997，34（2），289-297.

[3]王金安，谢和平，m，a，kwasniewski.建筑物下厚煤层特殊开采的三维数值分析，岩石力学与工程学报，1998，18（1），12-16.

作者简介：金思德（1973-），男，毕业于山东科技大学，现在兖州煤业公司南屯煤矿防冲办工作。