软弱夹层对巷道顶板稳定性影响的FLAC3D研究

王志刚

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

·试验研究·

软弱夹层对巷道顶板稳定性影响的FLAC3D研究

王志刚

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

针对晋华宫矿12-3＃层301盘区2107巷顶板稳定性的问题，利用FLAC3D软件模拟了软弱夹层不同厚度及距顶板表面距离，对无支护时顶板稳定性的影响，依托MATLAB应用响应曲面法对顶板松动圈厚度与软弱夹层厚度和距顶板表面距离的关系进行回归分析，得出了三者之间的曲面关系式。结果显示，当软弱夹层厚度为1．1 m，距顶板表面1．65 m，无支护时巷道顶板松动圈厚度为1．29 m，为巷道的支护设计提供了参考。

软弱夹层；顶板稳定；FLAC3D

我国每年新掘巷道15 000多km，因巷道支护发生的顶板事故占煤矿事故的比例居高不下，2001—2007年我国煤矿顶板事故占所有事故的60．44%，死亡人数占32．80%，近七年的顶板事故单次死亡人数达到1．31人/次［1］，严重制约了煤矿安全生产和快速发展的步伐。

同煤集团晋华宫矿12-3＃层煤厚2．32～6．08 m，平均3．84 m，是侏罗纪最下一层煤。根据钻孔资料，煤顶板上方1．65 m处存在约1．1 m厚的煤及灰色粉砂岩的软弱层（见图1），对巷道顶板的稳定性产生了很大的影响。

图1 晋华宫矿12-3＃层局部综合柱状图

本文以晋华宫矿12-3＃层301盘区2107巷为研究对象，采用岩土工程最常用的数值模拟软件FLAC3D进行研究［2-4］，研究不同软弱夹层厚度及其距巷道顶板的距离对顶板松动圈［5-6］厚度的影响，为该巷道及类似工程的支护设计提供参考。

1 模型的建立

1．1 模拟巷道概况

晋华宫矿2107巷为12-3＃层301盘区8107工作面轨道巷，该巷道北部为301盘区5109（未掘巷道）；东部至301盘区轨道巷，南部为301盘区5107（未掘巷道），西部为实体，为巷道掘进方向。

巷道断面形状为矩形，宽×高=4．5 m×2．8 m，地面标高1 185．3/1 244．9 m，工作面标高880/900 m。煤层倾角4°～8°，平均6°，工作面地质构造简单，煤层厚度为2．0～6．09 m，平均厚度4．05 m，直接顶为细砂岩，厚度2．10 m；老顶为细砂岩及砂质页岩，厚度9．34 m；直接底为砂质页岩。

1．2 数值模型的建立

由于煤层倾角较小，数值模拟时不做考虑，取煤层厚度2．8 m，直接顶2．0 m，老顶9．0 m，上覆岩层15 m，底板30 m，以巷道底板中心为坐标原点，巷道走向沿y轴正方向，上下为z轴，x轴水平向右，左右方向各取30 m。根据实际工程，取巷道宽4．5 m，高

2．8 m，埋深360 m，根据围岩强度已测试结果，各煤岩层的力学参数见表1，其中底板力学参数与直接顶的相同，考虑到实际工程与理论模型之间的差别，计算时对参数进行一定的折减。

表1 数值模拟模型参数取值表

采用摩尔库伦准则进行计算，在模型上部施加均布竖向应力来模拟巷道的埋深，经计算，所加竖向应力σz=8．0 MPa，取平均泊松比为0．26，经计算侧应力系数λ=0．35，则所加水平应力σx=λσz=2．8 MPa。模型边界条件为：左右边界固定x方向位移，前后全部固定y方向位移，下部边界固定z方向位移，沿y轴正方向取单位长度1 m，通过二维模型来计算不同支护形式的效果。为确保计算的精度和效率，划分单元格时由外向巷道中心逐渐加密，模型共有12 880个单元，19 809个节点。

1．3 模型方案设计

考虑0．2 m、0．4 m和0．6 m厚的软弱夹层，距巷道顶板表面0．5 m、1．0 m、1．5m和2．0 m四种距离，研究不同软弱夹层厚度、不同位置对巷道松动圈分布规律的影响，共12个有夹层模型和1个无夹层模型，见表2。

表2 软弱夹层对围岩松动圈发展规律影响模型汇总表

2 模拟结果分析

0．2 m、0．4 m和0．6 m厚软弱夹层不同位置围岩松动圈分布图见图2。

图2 中l为软弱夹层距顶板表面的距离，m；h为软弱夹层的厚度，m。详细结果见表3。

由图2和表3可知：

1）顶板软弱夹层的存在并不影响两帮及底板的最大塑性区厚度，从表3可以看出，对于不同厚度、不同位置软弱夹层的模型，计算完成后两帮及底板最大塑性区厚度并未变化，但分布位置有所改变，随着软弱夹层距顶板距离的增加，底板塑性区范围先增大，后减小，但最大值没有变化。

2）对于同一厚度的软弱夹层，随着距顶板表面距离的增加，顶板松动圈范围逐渐增加，当距离超过1．0 m后，松动圈最大值又逐渐减小。究其原因，软弱夹层的存在将原本一体的顶板分成了不同厚度的分层，当其距顶板表面较近时，下部岩层较薄，不能抵抗顶板表面的拉应力而破坏，加之软弱夹层强度较低，也很容易被破坏；当夹层距离顶板表面较远时，顶板松动圈的破坏范围未能超出下部岩层的厚度，夹层受到了一定的保护。

依托MATLAB应用响应曲面法对顶板松动圈厚度与软弱夹层厚度和距顶板表面距离的关系进行回

归分析，其关系式为：

表3 不同厚度、位置软弱夹层对围岩松动圈分布影响表

式中：

y—顶板松动圈厚度，m。

从式（1）可以看出，当软弱夹层厚度h一定时，顶板松动圈厚度与夹层距其表面距离成三次函数关系，见图3（a），当夹层距顶板表面距离大于2．0 m后，顶板松动圈厚度受其影响较小。当夹层距顶板距离l不变时，顶板松动圈厚度与夹层厚度呈自然指数型关系，随着夹层厚度的增加，顶板松动圈厚度的增加幅度变大，见图3（b）。

图2 弱夹层不同厚软不同位置围岩松动圈分布图

图3 顶板松动圈厚度变化规律分布图

3 结 论

1）顶板软弱夹层的存在对巷道两帮和底板松动圈厚度的最大值没有影响，主要存在于靠近顶板和底板的上下两端。

2）顶板松动圈厚度与软弱夹层厚度和距顶板表面距离的关系为：y=-3．128+9．87l-8．373l2+ 2．096l3+0．587 8e0．8587h。

3）无支护时，2107巷（软弱夹层厚度为1．1 m，距顶板表面1．65m）顶板松动圈厚度为1．29m，破坏范围较大，支护设计时应加强对顶板的治理。

［1］李桂臣．软弱夹层顶板巷道围岩稳定与安全控制研究［D］．徐州：中国矿业大学，2008．

［2］路聚堂，刘建军，王 斌，等．厚煤层软煤巷道围岩活动规律及支护数值分析［J］．西安科技大学学报，2010，30（3）：275-279．

［3］郭保华，陆庭侃，田采霞．巷道交岔点稳定性影响因素的数值分析［J］．采矿与安全工程学报，2008，25（2）：192-197．

［4］熊良宵，杨林德．考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型［J］．中南大学学报（自然科学版），2009，40（3）：814-821．

［5］董方庭．巷道围岩松动圈支护理论［J］．煤炭学报，1994，19（1）：21-32．

［6］靖洪文，李元海，梁军起，等．钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践［J］．中国矿业大学学报，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

王志刚（1986—），男，山西大同人，2009年毕业于内蒙古科技大学，助理工程师，主要从事采矿工程方面的研究与管理工作（E-mail）jhg_wzg＠163．com