特厚复合坚硬顶板承载特性数值模拟研究

2021-04-08杨继飞

机械管理开发 2021年2期

杨继飞

（山西煤炭进出口集团有限公司，山西太原 030024）

引言

煤炭资源作为中国的主要能源，在经济建设中具有举足轻重的地位。我国大约三分之一的煤层顶板属于复合顶板，其覆盖面广[1]。一般由互相间隔的软弱岩层或多层软弱岩层叠合而成的复合结构组成[2-3]。目前，许多学者从顶板岩性、厚度、地应力等影响因素对复合顶板的稳定性进行了研究与探讨[4-5],但对复合顶板承载特性研究较少。因此，对特厚复合坚硬顶板承载特性数值模拟展开研究。

1 研究背景

某矿现开采4 号煤层040102 工作面，该工作面回风巷道由于顶板条件特殊，巷道开挖后表现出围岩变形量大、变形显现时间快、变形持续时间长的特点，严重制约着采煤工作面的正常生产，且复合层状顶板拉裂后，顶板下沉量较大，且局部已发生明显破坏，如图1。

图1 层状顶板拉裂破坏图

040102 工作面回风巷道断面尺寸为宽4.5 m，高3.2 m，围岩物理力学性质见表1。影响特厚复合顶板变形破坏的因素复杂，而特厚复合顶板的主要承载结构为叠（组）合岩梁，对控制巷道顶板变形及矿压显现起到了决定性作用，而特厚复合顶板的稳定性直接关系到煤矿安全和巷道的掘进，为此研究特厚复合坚硬顶板的承载特性。

为了研究某矿040102 工作面复合层状顶板的变形破坏特征，采用FLAC3D 数字模拟软件进行分析研究，通过模拟巷道复合顶板在无支护条件下的变形位移破坏规律，分析巷道在开挖及采动影响后围岩位移及变形破坏的过程。

表1 岩石物理力学试验汇总

2 特厚复合坚硬顶板承载特性数值模拟研究

根据表1 按照4 号煤层厚度及岩石物理力学实验数据建立数值计算模型，如图2。为了模拟上覆岩层顶板岩层压力在模型上边界施加垂直载荷，由某矿的实际工程地质条件及巷道断面尺寸大小比例，建立矩形巷道模型，通过改变侧压系数观察无支护条件下巷道复合顶板的位移及应力变形规律，进而对特厚坚硬顶板的承载特性进行分析。

图2 煤巷特厚复合顶板数值模型图

当侧压系数 λ 分别取为 0、0.6、1.5 及 2.0 时，无支护条件下巷道复合顶板的的竖向位移云图，如图3 所示。

图3 不同侧压条件下顶板竖向位移（m）云图

由图3 可以看出，在不同侧压系数条件下，开挖巷道对上覆岩体的影响范围和顶板的下沉量均有影响。实际工程中，侧压为0 的工况基本不存在。根据图3-1、图3-2 可知，当λ＜1 时，巷道围岩表现出顶板整体位移量较大，但两帮位置位移量较小；当λ＞1 较大时，随侧压系数增大复合顶板上部岩层的位移量逐渐减小，但巷道顶板及两帮的位移却较大且位移范围逐渐扩大。特别的当λ=2 时巷道顶板下沉量为79.5 mm。这种现象可以解释为：由于岩体中的水平应力随侧压系数的增大而增大，在一定范围内由于压实作用复合顶板下位的岩体抗弯能力得以增强，一旦侧压增大到某一极限值，复合顶板下位的岩体由于承受过大水平挤压力，导致岩体破坏。

当侧压系数分别取为 0、0.6、1.5 及 2 时，无支护条件下巷道复合顶板的垂直应力云图，如图4 所示。

图4 不同侧压条件下顶板垂直应力云图

当侧压系数分别取为 0、0.6、1.5 及 2 时，无支护条件下巷道复合顶板的水平应力云图，如下页图5所示。

综合图4、图5，当侧压系数λ=0 时垂直应力峰值位于巷道两侧，垂直应力整体呈“单峰”状分布，应力峰值位于巷帮两侧约3 m 深处，随着侧压系数增大，巷帮侧支承应力影响范围逐渐增大，且在巷道顶底板岩层中逐渐出现应力集中区；相应的覆岩中水平应力随λ 增大巷帮侧支承应力影响区逐渐减小并消失，而巷道顶底板中应力峰值影响区范围增大，并向深部转移。

因此，巷道复合顶板岩层的承载特性为：当侧压系数较小时，即顶板两端所受水平挤压力较小，上覆岩层在垂直载荷的作用下，各岩层底部发生拉伸破坏，进而出现离层降低顶板岩体的承载能力；相反，当侧压系数较大时，水平应力过大，即顶板两端所受水平挤压力较大，顶板下部岩层会发生挤压屈服破坏，而顶板上部岩层由于水平应力增大和岩层整体性增强，其破坏范围会有所减小。