不同巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤巷頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析

1、不同巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤巷頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析近些年來(lái)，諸多的理論研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐均表明，不同巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型是煤巷頂板穩(wěn)定性的重要影響因素之一，特別是對(duì)于錨桿支護(hù)的煤巷頂板而言，這種影響更加明顯。賈明魁博士通過(guò)對(duì)全國(guó) 20 多個(gè)礦區(qū) 162 起錨桿支護(hù)煤巷冒頂事故案例的調(diào)研分析，總結(jié)出由于煤巷頂板巖層組合的變化而導(dǎo)致的冒頂事故占整個(gè)冒頂事故的 66%1、 2 。結(jié)合某礦區(qū)實(shí)際煤巷頂板巖層結(jié)構(gòu)變化較大的實(shí)際情況，本文擬采用數(shù)值模擬的方法來(lái)分析該不同巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤巷頂板穩(wěn)定性狀況及其離層變化規(guī)律，以此為礦區(qū)煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)合理參數(shù)確定提供可靠理論依據(jù)。.模擬軟件選擇數(shù)值計(jì)算已被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受作為一種力

2、學(xué)狀態(tài)的分析工具。目前用于巖石力學(xué)數(shù)值計(jì)算的有限元、邊界元、離散元、剛體元、流形元、有限差分等數(shù)值計(jì)算方法，促進(jìn)了巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，使復(fù)雜巖土工程的分析與設(shè)計(jì)發(fā)生根本性的變化。其中離散單元法( DiscreteElement Method )是一種能模擬不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)行為的方法，是由Cundall 等于 1971 年提出的。早期的離散單元法基于剛性塊體的假設(shè)，適于研究低應(yīng)力巖體的變形與破壞過(guò)程， Maini 等人針對(duì)剛性單元沒(méi)有考慮塊體自身變形的缺點(diǎn)，利用差分法提出了可考慮巖石自身變形的離散單元法，編制了通用分析軟件UDEC(Universal Distinct Element Code)

3、，進(jìn)一步推動(dòng)了離散單元法的發(fā)展及其在采礦等各種地下工程中的廣泛應(yīng)用。為此，本文擬采用UDEC3.0平面分析軟件進(jìn)行模擬分析。.數(shù)值模型建立模擬時(shí)巷道埋深取H=200m （礦區(qū)煤巷平均埋深） ，巷道跨度取L=5.0m ，巷道頂板巖層的容重取 =25KN/m3 ，即鉛直應(yīng)力為 5MPa 并保持不變，煤巖層均為水平狀態(tài)，直接頂厚度為 3.0m ，巷道兩側(cè)為實(shí)體煤。模型的幾何尺寸為 24X 20m2,模型上邊界施加豎直均布荷載模擬上方巖層壓力作用，兩側(cè)邊界施加水平應(yīng)力，下部邊界固定。模擬所需的工程參數(shù)和煤巖物理力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）均來(lái)自于礦區(qū)的生產(chǎn)實(shí)際和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果。根據(jù)對(duì)礦區(qū)鉆孔資料分析及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情

4、況調(diào)查結(jié)果，建立四種不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型頂板的基本模型進(jìn)行模擬，四種巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型頂板分別為：?jiǎn)我缓褴浶晚敯?、單一厚硬型頂板、?硬-軟型頂板及硬-軟-硬型頂板。為分析巷道頂板下沉情況，分別在模型No1 、 No3 頂板巖層跨中位置取A、 B、C 三點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行位移跟蹤監(jiān)測(cè)，在模型No2 、 No4 頂板表面跨中位置取A點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行位移跟蹤監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖 1 ） 。.數(shù)值模擬結(jié)果分析為了模擬不同巖層結(jié)構(gòu)巷道頂板穩(wěn)定性狀況，巷道跨度設(shè)置為5.0m,水平應(yīng)力取礦區(qū)各生產(chǎn)礦井平均水平應(yīng)力值5.35MPa。采用單因素分析法，即只改變頂板巖層結(jié)構(gòu)，其它條件均不變，巷道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)情況下對(duì)模型進(jìn)行均勻加載，迭代 *次時(shí)，計(jì)

5、算結(jié)果及分析如下。單一厚軟型頂板穩(wěn)定性單一厚軟型頂板變形及離層情況如圖2 （a）、（b）所示：由圖 2 （a） 可得知，單一厚軟型頂板發(fā)生了比較明顯的彎曲下沉且頂板表面跨中位置下沉量最大，在距頂板表面3.0m 處直接頂與上層老頂硬巖層之間產(chǎn)生明顯的離層裂隙；(2)由圜2 (b)可知，從巷道開(kāi)挖到模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)，巷道頂板表面跨中位置A 點(diǎn)處下沉量最大達(dá)350mm 。單一厚硬型頂板穩(wěn)定性單一厚硬型頂板變形及離層情況如圖3 (a)、(b)所示：由圖 3 (a) 可得知，單一厚硬型頂板的穩(wěn)定性較好，基本沒(méi)有發(fā)生明顯的彎曲下沉，在距頂板表面3.0m 處直接頂與上層老頂硬巖層之間也沒(méi)有產(chǎn)生明顯的離層裂隙；

6、由圖 3 (b) 可知，從巷道開(kāi)挖到模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)，巷道頂板表面跨中位置 A 點(diǎn)處下沉量比單一厚軟型頂板小得多，最大為 105mm ，此后 基本維持穩(wěn)定。軟-硬-軟型頂板穩(wěn)定性軟-硬-軟型頂板變形及離層情況如圖4 (a)、(b)所示：由圖 4 (a) 可知，軟 -硬-軟型頂板的穩(wěn)定性很差，頂板在巷道跨中位置已經(jīng)發(fā)生了巖石冒落，巷道左、右上角受到拉、剪破壞，在距頂板表面 0.7m 和 3.0m 位置的軟弱巖層都于其上位硬巖層間產(chǎn)生離層裂隙；由圖 4(b) 可知，從巷道開(kāi)挖到模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)，頂板巖層跨中位置A、 B、 C 三點(diǎn)位移不相同，其中頂板表面跨中位置A 點(diǎn)處位移最大為 600mm ， B、

7、 C 兩點(diǎn)處頂板下沉量分別為 300mm 和 250mm 。硬-軟-硬型頂板穩(wěn)定性硬-軟-硬型頂板變形及離層情況如圖5 (a)、(b)所示：由圖 5 (a) 可知，硬 -軟-硬型頂板也發(fā)生了一定程度的彎曲下沉且頂板表面跨中位置下沉量最大，在距頂板表面3.0m 處直接頂與上層老頂硬巖層之間產(chǎn)生明顯的離層裂隙，但頂板彎曲下沉及頂板表面跨中位置下沉量都沒(méi)有單一厚軟型頂板明顯；由圖 5 (b) 可知，從巷道開(kāi)挖到模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)，頂板巖層跨中位置 A、 B、 C 三點(diǎn)位移不相同，其中頂板表面跨中位置A 點(diǎn)處位移最大為 150 ，B、 C 兩點(diǎn)處頂板下沉量分別都為 0mm 。.結(jié)論在其它條件都相同的情況下，不同頂板巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型在巷道開(kāi)挖后頂板的穩(wěn)定性差別很大，單一厚層型頂板比分層頂板的穩(wěn)定性好，分層數(shù)少的頂板穩(wěn)定性比分層數(shù)多的頂板穩(wěn)定性好，單一厚硬層頂板比單一厚軟型頂板的穩(wěn)定性好；從No3模型巷道跨中位置A、B、C三點(diǎn)位移跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，上位巖層為軟巖層，下位巖層為硬巖層時(shí)，層間一般不會(huì)發(fā)生離層，相反若上位巖層是硬巖層，