軟弱夾層對巷道頂板穩(wěn)定性影響的FLAC3D研究

王志剛

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

·試驗研究·

軟弱夾層對巷道頂板穩(wěn)定性影響的FLAC3D研究

王志剛

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

針對晉華宮礦12-3＃層301盤區(qū)2107巷頂板穩(wěn)定性的問題，利用FLAC3D軟件模擬了軟弱夾層不同厚度及距頂板表面距離，對無支護時頂板穩(wěn)定性的影響，依托MATLAB應(yīng)用響應(yīng)曲面法對頂板松動圈厚度與軟弱夾層厚度和距頂板表面距離的關(guān)系進行回歸分析，得出了三者之間的曲面關(guān)系式。結(jié)果顯示，當(dāng)軟弱夾層厚度為1．1 m，距頂板表面1．65 m，無支護時巷道頂板松動圈厚度為1．29 m，為巷道的支護設(shè)計提供了參考。

軟弱夾層；頂板穩(wěn)定；FLAC3D

我國每年新掘巷道15 000多km，因巷道支護發(fā)生的頂板事故占煤礦事故的比例居高不下，2001—2007年我國煤礦頂板事故占所有事故的60．44%，死亡人數(shù)占32．80%，近七年的頂板事故單次死亡人數(shù)達到1．31人/次［1］，嚴重制約了煤礦安全生產(chǎn)和快速發(fā)展的步伐。

同煤集團晉華宮礦12-3＃層煤厚2．32～6．08 m，平均3．84 m，是侏羅紀最下一層煤。根據(jù)鉆孔資料，煤頂板上方1．65 m處存在約1．1 m厚的煤及灰色粉砂巖的軟弱層（見圖1），對巷道頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大的影響。

圖1 晉華宮礦12-3＃層局部綜合柱狀圖

本文以晉華宮礦12-3＃層301盤區(qū)2107巷為研究對象，采用巖土工程最常用的數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行研究［2-4］，研究不同軟弱夾層厚度及其距巷道頂板的距離對頂板松動圈［5-6］厚度的影響，為該巷道及類似工程的支護設(shè)計提供參考。

1 模型的建立

1．1 模擬巷道概況

晉華宮礦2107巷為12-3＃層301盤區(qū)8107工作面軌道巷，該巷道北部為301盤區(qū)5109（未掘巷道）；東部至301盤區(qū)軌道巷，南部為301盤區(qū)5107（未掘巷道），西部為實體，為巷道掘進方向。

巷道斷面形狀為矩形，寬×高=4．5 m×2．8 m，地面標(biāo)高1 185．3/1 244．9 m，工作面標(biāo)高880/900 m。煤層傾角4°～8°，平均6°，工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層厚度為2．0～6．09 m，平均厚度4．05 m，直接頂為細砂巖，厚度2．10 m；老頂為細砂巖及砂質(zhì)頁巖，厚度9．34 m；直接底為砂質(zhì)頁巖。

1．2 數(shù)值模型的建立

由于煤層傾角較小，數(shù)值模擬時不做考慮，取煤層厚度2．8 m，直接頂2．0 m，老頂9．0 m，上覆巖層15 m，底板30 m，以巷道底板中心為坐標(biāo)原點，巷道走向沿y軸正方向，上下為z軸，x軸水平向右，左右方向各取30 m。根據(jù)實際工程，取巷道寬4．5 m，高

2．8 m，埋深360 m，根據(jù)圍巖強度已測試結(jié)果，各煤巖層的力學(xué)參數(shù)見表1，其中底板力學(xué)參數(shù)與直接頂?shù)南嗤紤]到實際工程與理論模型之間的差別，計算時對參數(shù)進行一定的折減。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)取值表

采用摩爾庫倫準(zhǔn)則進行計算，在模型上部施加均布豎向應(yīng)力來模擬巷道的埋深，經(jīng)計算，所加豎向應(yīng)力σz=8．0 MPa，取平均泊松比為0．26，經(jīng)計算側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ=0．35，則所加水平應(yīng)力σx=λσz=2．8 MPa。模型邊界條件為：左右邊界固定x方向位移，前后全部固定y方向位移，下部邊界固定z方向位移，沿y軸正方向取單位長度1 m，通過二維模型來計算不同支護形式的效果。為確保計算的精度和效率，劃分單元格時由外向巷道中心逐漸加密，模型共有12 880個單元，19 809個節(jié)點。

1．3 模型方案設(shè)計

考慮0．2 m、0．4 m和0．6 m厚的軟弱夾層，距巷道頂板表面0．5 m、1．0 m、1．5m和2．0 m四種距離，研究不同軟弱夾層厚度、不同位置對巷道松動圈分布規(guī)律的影響，共12個有夾層模型和1個無夾層模型，見表2。

表2 軟弱夾層對圍巖松動圈發(fā)展規(guī)律影響模型匯總表

2 模擬結(jié)果分析

0．2 m、0．4 m和0．6 m厚軟弱夾層不同位置圍巖松動圈分布圖見圖2。

圖2 中l(wèi)為軟弱夾層距頂板表面的距離，m；h為軟弱夾層的厚度，m。詳細結(jié)果見表3。

由圖2和表3可知：

1）頂板軟弱夾層的存在并不影響兩幫及底板的最大塑性區(qū)厚度，從表3可以看出，對于不同厚度、不同位置軟弱夾層的模型，計算完成后兩幫及底板最大塑性區(qū)厚度并未變化，但分布位置有所改變，隨著軟弱夾層距頂板距離的增加，底板塑性區(qū)范圍先增大，后減小，但最大值沒有變化。

2）對于同一厚度的軟弱夾層，隨著距頂板表面距離的增加，頂板松動圈范圍逐漸增加，當(dāng)距離超過1．0 m后，松動圈最大值又逐漸減小。究其原因，軟弱夾層的存在將原本一體的頂板分成了不同厚度的分層，當(dāng)其距頂板表面較近時，下部巖層較薄，不能抵抗頂板表面的拉應(yīng)力而破壞，加之軟弱夾層強度較低，也很容易被破壞；當(dāng)夾層距離頂板表面較遠時，頂板松動圈的破壞范圍未能超出下部巖層的厚度，夾層受到了一定的保護。

依托MATLAB應(yīng)用響應(yīng)曲面法對頂板松動圈厚度與軟弱夾層厚度和距頂板表面距離的關(guān)系進行回

歸分析，其關(guān)系式為：

表3 不同厚度、位置軟弱夾層對圍巖松動圈分布影響表

式中：

y—頂板松動圈厚度，m。

從式（1）可以看出，當(dāng)軟弱夾層厚度h一定時，頂板松動圈厚度與夾層距其表面距離成三次函數(shù)關(guān)系，見圖3（a），當(dāng)夾層距頂板表面距離大于2．0 m后，頂板松動圈厚度受其影響較小。當(dāng)夾層距頂板距離l不變時，頂板松動圈厚度與夾層厚度呈自然指數(shù)型關(guān)系，隨著夾層厚度的增加，頂板松動圈厚度的增加幅度變大，見圖3（b）。

圖2 弱夾層不同厚軟不同位置圍巖松動圈分布圖

圖3 頂板松動圈厚度變化規(guī)律分布圖

3 結(jié) 論

1）頂板軟弱夾層的存在對巷道兩幫和底板松動圈厚度的最大值沒有影響，主要存在于靠近頂板和底板的上下兩端。

2）頂板松動圈厚度與軟弱夾層厚度和距頂板表面距離的關(guān)系為：y=-3．128+9．87l-8．373l2+ 2．096l3+0．587 8e0．8587h。

3）無支護時，2107巷（軟弱夾層厚度為1．1 m，距頂板表面1．65m）頂板松動圈厚度為1．29m，破壞范圍較大，支護設(shè)計時應(yīng)加強對頂板的治理。

［1］李桂臣．軟弱夾層頂板巷道圍巖穩(wěn)定與安全控制研究［D］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008．

［2］路聚堂，劉建軍，王 斌，等．厚煤層軟煤巷道圍巖活動規(guī)律及支護數(shù)值分析［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報，2010，30（3）：275-279．

［3］郭保華，陸庭侃，田采霞．巷道交岔點穩(wěn)定性影響因素的數(shù)值分析［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2008，25（2）：192-197．

［4］熊良宵，楊林德．考慮節(jié)理面法向蠕變的節(jié)理巖體蠕變模型［J］．中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，40（3）：814-821．

［5］董方庭．巷道圍巖松動圈支護理論［J］．煤炭學(xué)報，1994，19（1）：21-32．

［6］靖洪文，李元海，梁軍起，等．鉆孔攝像測試圍巖松動圈的機理與實踐［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，38（5）：645-649，669．

Research on Effect of Weak Interlayer to Roof Stability by FLAC3D

Wang Zhi-gang

According to the roof stability problem of 2107 roadway of No．12-3seam 301 panel in Jinhuagong coal mine，by using FLAC3D software simulate the effect of weak interlayer different thickness and its distance away from the roof surface to roof stability when without supporting．Based on MATLAB application response surface methodology carries out regression analysis on the relationship between the roof loose circle thickness with the weak interlayer thickness and its distance away from the roof surface，derived the relational expression between the three．The results showed that when the weak interlayer thickness is 1．1 m，its distance away from the roof surface is 1．65 m，without supporting，the roadway roof loose circle thickness is 1．29 m and provides a reference for the roadway supporting design．

Weak interlayer；Roof stability；FLAC3D

TD322+．4

A

1672-0652（2013）05-0047-04

2013-03-06

王志剛（1986—），男，山西大同人，2009年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)，助理工程師，主要從事采礦工程方面的研究與管理工作（E-mail）jhg_wzg＠163．com