基于ANSYS的深部复合顶板稳定性影响因素分析

徐 盼 吴德义

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

基于ANSYS的深部复合顶板稳定性影响因素分析

徐 盼 吴德义

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

以淮南矿区口孜东矿11-2煤行人上山巷道为例，建立合理数值计算模型，利用ANSYS有限元软件模拟深部复合顶板巷道位置、两帮岩性、不同支护方式（无支护、锚杆支护、锚杆索支护）、有无预紧力时结构面分离范围及顶板层间离层大小，得出巷道位置、巷道两帮岩性、支护条件、锚杆索预紧力对结构面的分离范围和层间离层有显著影响，巷道位置、增加预紧力对其影响最为显著，模拟结果为确定其顶板离层临界值提供了依据。。

ANSYS；支护条件；结构面；层间离层

随着煤矿开采深度的增大，复合顶板煤巷的数量和比例不断增加[1]，复合顶板极易离层、剥落，难以形成承载结构，严重影响正常生产[2]。复合顶板亦称为离层型顶板，由不同岩性的岩层组成，不同岩层之间存在微小分离面或者存在软弱节理，结构面易发生离层，当不同岩性差别较大时，粘结力很小极易产生分离，当结构面分离范围及层间离层超过一定范围时岩层易在结构面上发生分离而垮落，并且事故发生前征兆并不明显，事故的发生具有突然性，造成的后果也比较严重。在近几年发生的冒顶事故中，很大一部分都属于复合顶板冒顶事故[3]。李冰冰《深井回采巷道顶板离层与支护技术研究》在分析大量工程实测数据和现场调查的基础上，根据理论分析，对深井回采巷道顶板离层与支护技术进行了深入细致地研究，得出了离层形成的力学机理和条件[4]；吴德义针对煤层埋置深度不同，初步分析了浅部开采与深部开采煤层顶板离层力学机制的不同[5]；Shou.Gen.Chen采用数值模拟对结构面离层进行了分析[6]；S.LIN分析了复合顶板层面位移不连续性和应力变化特点[7]。但对于顶板离层的量化认识还未深入。因此研究深部围岩复合顶板，为采用合理措施保持其它矿区煤层顶板离层稳定提供依据，结合顶板离层现场观测可较准确确定顶板离层临界值，对保持类似巷道稳定具有工程及科学意义。

1.数值模型的建立与围岩力学参数的选取

（1）数值模型的建立

图2 计算模型（巷道布置于煤顶板中）

文章以口孜东矿11-2煤为例，11-2煤行人上山掘进时，巷道布置于煤层中以及掘进后期巷道布置于煤层顶板，根据矿区地质柱状图，确定巷道两帮及底板岩性、复合顶板的组成，各岩层之间建立结构接触面，合理建立数值计算模型如下图1、图2。根据巷道埋深取原岩应力P= 18.6MPa，均匀分布于模型上边界面。模型中岩层岩性从上至下分布为砂质泥岩、泥质砂岩、泥质砂岩、砂岩、泥岩、11-2煤、砂质泥岩。为保证数值计算结果收敛及精度，选择PLANE82网格单元，结构面间采用接触对单元 TARGE169 和 CONTA172模拟，考虑到巷道的无限长，可以简化为平面应变问题并设置为大变形求解，采用FULL N-R迭代方法[8]。当上下两层岩性相差较大，数值模拟时可能出现上部较软弱岩层嵌入下部坚硬岩层中，所以模拟时应正确选择结构面法向刚度并作必要的数据修正。

（2）围岩力学参数的选取

通过现场取芯，在实验室中将试件加工成标准试件即直径50mm，高度100mm。对试件的弹性模量、抗拉强度及泊松比等力学参数的测定采用TAW 2000型微机控制电液伺服岩石三轴剪切复合试验机，通过YDS携带式岩土力学性质多功能试验仪测定岩石内聚力和内摩擦角。根据实验结果，11-2煤巷顶底板岩性力学参数如表1。

表1 11-2煤巷顶底板岩性力学参数

2.不同条件顶板离层分析

为研究11-2煤巷道位置、不同支护条件、两帮岩性对顶板离层稳定性的影响，以图1、图2所示数值模型为基础，比较巷道位置、有无预紧力，支护强度分别为无支护、锚杆索支护、锚杆支护、两帮岩性由煤变为砂岩时结构面间的法向应力与顶板层间离层分布规律。

3.结果与分析

巷道布置于煤层中，巷道两帮岩性为煤、采用锚杆索支护时巷道围岩第一主应力及垂直方向位移（Y方向）分布模拟结果如图3所示。

图3 锚杆索支护顶板第一主应力场、垂直位移分布模拟结果

由数值模拟结果可以看出：顶板与之间结构面的第一主应力为正值，即呈现拉应力，顶板关键层位于顶板邻近的锚固区内第一层岩层。不同支护条件（无支护、锚杆支护、锚杆索支护）时，结构面法向应力及顶板层间离层如图4。巷道两帮岩性由煤变为砂岩时结构面法向应力及顶板离层分布规律如图5。有无预紧力时结构面法向应力及顶板离层分布规律如图6。巷道布置于煤顶板且无支护时，第一主应力数值模拟结果如图7。

图4 不同支护方式结构面法向应力与离层分布

图5 帮部不同岩性时结构面法向应力与离层分布

图6 有无预紧力作用时结构面法向应力与离层分布

图7 巷道布置于煤层（无支护）

数值模拟结果表明：

（1）锚杆、锚杆索支护可以减小结构面拉应力的范围。由于锚杆索的加固作用，在巷道周围形成一个整体、稳定的岩石带，出现分离（拉应力）的结构面范围减小，同时使得顶板层间离层值减小；

（2）巷道两帮岩性由较软弱的煤变为较硬的砂岩时，结构面分离范围减小了约40%，顶板塑性变形量减小，层间离层值由3.6mm减小为3.2mm，降低了12.5%；

（3）锚杆索支护时增加预紧力对于减小结构面分离范围和顶板层间离层值效果更好，层间离层值减少了约30%；

（4）顶板岩层组成影响关键层位置及不稳定发展趋势，顶板关键层主要由岩层距巷道顶板高度、岩层厚度及岩层力学性质确定。临近巷道软弱薄层部位易产生不稳定层间离层；

（5）当巷道布置于煤层顶板且无支护时，邻近巷道顶板三层结构面都出现了一定范围的拉应力并产生了较为显著的层间离层，但拉应力范围减小了约22%。

4.结论

数值模拟结果表明深部开采复合顶板巷道位置、增加预紧力对结构面的分离范围及层间离层值影响最为显著。巷道布置于煤层中时，顶板关键层位于顶板邻近的锚固区内第一层岩层。巷道布置于煤层顶板时，虽然巷道顶板三层结构面都出现了拉应力，但拉应力范围减小了约22%，层间离层值有一定减少，顶板关键层位置也发现了改变。巷道两帮岩性由较软弱的煤变为较硬的砂岩时，结构面分离范围减少了约40%，但层间离层值并未显著减少。对类似巷道施工、支护时，应尽量将巷道布置于坚硬岩层中，并选取合理支护参数，增加预紧力。

[1]贾明魁.锚杆支护煤巷冒顶成因分类新方法[J].煤炭学报，2005, （5）:26-28.

[2]崔希鹏,谷拴成,苏锋.煤巷复合顶板变形破坏机理及支护技术[J].煤炭科学技术,2013,（11）:56-59+89.

[3]吴红梅.复杂系统脆性理论及在煤矿事故系统中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009.

[4]李冰冰.深井回采巷道顶板离层与支护技术研究[D].淮南：安徽理工大学,2008.

[5]吴德义，程桦.软岩允许变形合理值现场估算[J].岩土工程学报，2008，30（7）：1029-1032.

[6]SHOU Gen-chen,Hua-gu.Numerical simulation of bed separation develop-ment and grout injecting into separations[J].Geotech Geol Eng,2008,26(3):375-385.

[7]S.LIN.Displacement discontinuities and stress changes between roof strata and their influence on longwall mining under aquifers [J].Geotech-nical and Geological Engineering,1993,1(3):37-50.

[8]王国强，等.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业出版社，2000.

[9]田宁.深埋坑道复杂围岩组合试件岩爆倾向性试验研究[J].隧道建设，2012，(4):486-489+494.

[10]曹云钢.岩体结构面抗剪参数试验研究[D].重庆：重庆交通大学,2013.

Deep Compound Roof Stability Influencing Factor Analysis Based on ANSYS

Xu Pan,Wu De-yi
（Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230601,China）

Taking the 11-2 coal layer pedestrian mountain roadway in Kou-Zi Dong mine as example to establish reasonable numerical model,using the finite element software ANSYS to simulate roadway position,two deep compound roof lithology,different support ways(no support, bolting, anchor lever cable support), with or without preload when separation range between structure and roof surface layer delamination size,draw two sides roadway rock,support conditions,bolt cable preload on the scope and structure of the surface of separation layer rooms have a significant effect separation,especially it is most significant to increase epreload.The result could offer basement for ensuring critical value of roof separation.

ANSYS;suuport method;structural plane;interlayer abscission

TS653

A

1672-0547（2015)04-0105-03

2015-07-10

徐 盼（1992-),男,安徽合肥人,安徽建筑大学土木工程学院硕士研究生,研究方向：地下结构。

国家自然科学基金项目“深部煤岩稳定性量化判别研究”（51374009)。