動荷載下巷道壓力與支護數值模擬研究

徐　成　徐春常

摘要：文章對工作條件下受動荷載影響巷道及護巷煤柱的應力及變形規律進行了研究。研究表明：動荷載下引起的側向支承壓力集中區位于煤柱附近上方的巖層中，變形受工作面開采影響很大，高強、全長樹脂錨固錨桿可以有效的控制此類巷道的圍巖變形。

關鍵詞：地質條件；工作面；巷道壓力；數值模擬

中圖分類號：TD322 文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0163-02

對受動壓影響巷道來說，產生的附加變形與破壞的程度，取決于兩方面的因素：一是巷道所受采動附加壓力的大小、分布和作用時間的長短；二是巷道自身的穩定狀況的好壞，即承受附加壓力能力的大小。

一、地質條件概述

某煤礦42105綜采工作面回風平巷II所在的4-1煤層厚度基本穩定，平均煤厚3.5 m，埋深120 m左右，傾角1°左右。直接頂巖性為灰色泥巖水平層理，厚度6 m左右。老頂為灰色粉砂巖，水平—波狀層理，中部局部見斜交及變形層理，底部團塊狀，厚度4 m左右。底板為深灰色泥巖，底板穩定性較差，遇水軟化。直接底為深灰色泥巖，遇水軟化，厚度2.6 m左右。回風平巷II與回風平巷I間距25 m，兩條巷道之間每隔50 m有聯絡巷相聯。主要研究在44105工作面開采過程中，回風平巷II在動壓影響下的支護狀況。數值模擬軟件運用三維有限差分計算機程序FLAC3D建立立體模型。

二、數值模擬分析

（一）數值模擬初值設定

模型底邊界垂直位移固定，左右邊界水平方向位移固定。各巖層力學性質根據實際情況而定，如表1所示。材料本構模型為摩爾—庫侖模型。

三維計算過程為：模型生成—原巖應力計算—回風平巷I與回風平巷II開挖—計算穩定—44102工作面分步開采—各步計算平衡—結果輸出。其中模型由180000個塊體，190568個節點組成，在xz平面內劃分情況如圖3所示。

計算采用莫爾—庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則：fs=σ1-σ3(1+sinφ)/(1-sinφ)+2c (1+sinφ)/(1-sinφ)，式中，σ1，σ3分別是最大和最小主應力；c和φ分別是材料的黏結力和摩擦角。

（二）模擬結果分析

采準巷道的礦壓顯現比煤體內不受開采影響的單一巷道要復雜得多，它的維護狀況除取決于影響單一巷道維護的諸因素外，主要取決于采動影響，即煤層開采過程中引起的采場周圍的巖層運動和應力區更新分布、對采準巷道的變形、破壞和維護的影響。

工作面開采55m時，沿巷道工作面開采55m時頂板垂直應力圖如圖1所示，10m～15m處是回風平巷II的位置，15m～35m是保護煤柱的位置，35m～40m為回風平巷I的位置，40m～100m是工作面開采的范圍（圖1主要為了說明煤柱上的垂直應力情況，50m～100m的應力圖中沒有標出）的。

分析結果表明，當44105工作面回采時，垂直應力演化的特點：由于煤層開采引起上覆巖層跨落、彎曲形成巖梁結構，采動引起的側向支承壓力集中區位于煤柱附近上方的巖層中，應力集中區靠近采空區一側；應力集中區應力最大值為6.5MPa；煤柱上靠近采空區附近的巖層，其應力水平很低，這與煤柱附近存在壓不實死三角區有關；回風平巷II處于44105工作面采動引起的支承壓力影響區內，其中靠近采空區的右幫受到的垂直應力要大于左幫。圖2是工作面推進過程中，回風平巷II的頂板下沉量，交叉點是回風平巷II與聯絡巷的交叉點。圖3是工作面推進過程中，在沒有支護的情況下，回風平巷II的兩幫移近量。由圖2、3可以看出，無論是利用錨桿支護還是不支護下，回風平巷II在掘進期間巷道的圍巖變形量以及從掘巷穩定到受到工作面開采影響期間的巷道流變都不是很大。

從圖2還可以看出，在受到采動影響以前，在錨桿支護的情況下，其圍巖變形量比不支護的情況下還是小一些；回風平巷II受到了工作面回采期間強烈的動壓影響。其中，回風平巷II與聯絡巷交叉點圍巖變形量要遠大于非交叉點巷道圍巖變形量。

從圖3還可以看出，巷道左幫先是產生向右的位移，在受到動壓影響后，巷道產生較大的向左的位移，并趨于穩定。另外，巷道右幫的變形要大于左幫的變形，這是由于巷道的右幫位于煤柱一側，當回風平巷II受到采動影響時，巷道右幫附近的垂直壓力大于巷道左幫，因而產生了比左幫大的變形量。由模擬分析可知，在具有合適寬度的保護煤柱的前提下，受動壓影響煤巷中使用高強度、全長樹脂錨固錨桿支護是可以有效地控制巷道變形。

三、結論與建議

1．由于煤層開采引起上覆巖層跨落、彎曲形成巖梁結構，采動引起的側向支承壓力集中區位于煤柱附近上方的巖層中，并靠近采空區一側。應力集中區的應力一般可達原巖應力的2~3倍。

2．受動壓影響的煤巷變形受工作面開采影響很大，當工作面靠近巷道時，巷道變形急劇增長，并隨著工作面的遠離，變形趨于穩定。其中靠近煤柱一側的幫由于受到較大的支承壓力，其變形要大于另一幫。

3．在護巷煤柱相對較寬的情況下，受動壓影響煤巷中使用高強度、全長樹脂錨固錨桿支護是可以有效的控制巷道變形的。

4．在既受動壓影響而且巷道寬度又較大的巷道中，錨桿支護的同時應采用鋼筋網護表，增大錨桿的承載面積，防止錨桿間小塊松石的冒落，大大改善錨桿系統的整體支護性能。

5．在巷道交叉點等有可能出現較大變形的地方，可以用錨索支護作為加強支護措施，提高錨網基本支護形成組合梁或組合拱結構的抗彎能力，從而提高淺部圍巖的穩定性，控制巷道變形。

參考文獻

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