煤矿开采中巷道变形影响因素的分析

郭鹏宇

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司综采二队， 山西 大同 037000）

煤炭的开采过程离不开支护系统对巷道的支护，特别是在一些软岩巷道中，存在着巷道变形大、变形发生的持续作用时间长、支护体系稳定性差等问题，对煤矿的安全开采造成影响。在某煤矿巷道的掘进过程中，围岩主要由泥岩、砂岩组成，裂隙发育大，围岩的结构复杂，顶板岩层较软，是典型的三软煤层[1]。在工作面掘进过程中，随着掘进工作的进行，顶板发生淋水，加剧顶板岩层的软化，造成巷道的变形，影响着煤矿巷道的安全使用。针对煤矿开采中软岩层巷道的掘进变形问题[2]，采用仿真模拟的形式对影响巷道变形的因素进行分析，针对性地选择支护系统，以减小巷道的变形，保证巷道的稳定性，保障煤矿的安全开采。

1 工作面巷道模型的建立

采用仿真模拟的形式对巷道的变形因素进行分析，选用FLAC3D软件进行数值模拟。FLAC3D是基于三维有限差分开发的快速分析工具[3]，能够对岩土及地址结构的受力进行准确的模拟演示，适用于软岩巷道的弹塑性变形或者破坏分析[4]。

依据煤矿工作面开采的地质条件，建立数值模拟模型，设定巷道的断面为矩形，宽度为4.2 m，高度为3 m，模型的原点设定为巷道顶板的中点位置，巷道的轴向为Y方向，水平方向为X方向，高度方向为Z方向，考虑到边界效应的影响，建立煤层模型如图1 所示，模型尺寸为30 m（X）×30 m（Z）×5 m（Y）。

图1 巷道分析数值模型

在分析过程中，先对模型加载至承重载荷，再模拟开挖、应力再分布及巷道变形破坏的过程，以提高模拟分析的准确性。在分析过程中，对四个侧面水平方向的位移及底部的竖直方向位移设定限制，对顶面的移动不做限制[5]。煤岩体是相对脆性的材质，其抗剪强度是材料屈服破坏的标准，选用莫尔-库伦屈服准则对煤岩体进行模拟，从而分析煤岩的变形破坏情况。对模型施加相应的载荷[6]，垂直方向的应力为8.35 MPa，X 方向为17 MPa，Y 方向为11.3 MPa。煤岩的抗拉强度为23 MPa，弹性模量为1 002 MPa，由此对地应力及支护阻力对巷道的变形影响作用进行仿真模拟。

2 不同因素对工作面巷道变形的影响分析

2.1 地应力

地应力对围岩产生直接的应力作用，特别是对软岩巷道的变形有严重的影响。为分析地应力对软岩巷道的变形影响，通过改变垂直应力及侧压系数的大小，对不同地应力下的围岩巷道的变形量进行分析。首先分析垂直应力的作用，设定侧压系数为2 且保持不变，垂直应力分别设定为4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，分别对巷道变形进行分析，得到巷道围岩两侧在水平方向的位移变化曲线及顶底在垂直方向的位移变化曲线分布，具体如下页图2、图3 所示。

从图2、图3 中可以看出，随着垂直应力的增大，巷道围岩的位移均呈现增加的趋势，当垂直应力为4 MPa 时，巷道围岩左右两帮的位移为58.5 mm 及58.6 mm，巷道顶底的位移为114 m，当垂直应力为8 MPa 时，巷道围岩左右两帮的位移为331.9 mm 及332mm，位移量增加了5.7 倍，而顶板的位移为643mm，同样增加了5.6 倍。由此可知，垂直应力显著影响巷道的变形。

图2 巷道两帮的水平位移变化曲线

图3 巷道顶底的垂直位移变化曲线

在垂直应力增加的过程中，可以看到随着垂直应力的增加，围岩的变形速率呈现先增加后减小的趋势；在相同的垂直应力条件下[7]，巷道围岩的变形表现为顶板的下沉量大于底板的鼓起量，顶底的收敛量大于两帮的收敛量；垂直应力的数值越小，则巷道变形的拐点越靠近坐标原点，即变形越早的越趋向于稳定形式[8]。

对侧压系数的作用进行分析，设定巷道围岩的垂直应力为8 MPa，设定侧压系数为0.4～2.0，每次将测压系数增加0.1 来对巷道的变形进行分析统计，得到如图4 所示的巷道围岩不同位置的变形曲线。

图4 巷道围岩变形随侧压系数的变化曲线

从图4 中可以看出，在巷道的四个位置中，随着侧压系数的增加，则所有位置的变形均呈现增加的趋势，其中以顶板的位移增加量最大，且增长率较大。对随侧压系数变化的巷道围岩变形情况进一步分析可知，侧压系数＜1 时，测压系数对巷道围岩的变形影响不大，此时顶板的下沉量较大，底板的鼓起小于两帮的变形量[9]；当侧压系数＞1 时，巷道围岩的变形迅速增加，此时变形明显加快，顶板的下沉量最大，底板的鼓起大于两帮的变形量，此时在进行巷道的支护时，应重点考虑侧压系数的影响作用[10]。

2.2 支护阻力

针对支护阻力对巷道变形的影响作用进行分析，设定沿巷道全断面施加均匀的支护阻力，分别选取支护阻力的值为0～0.5 MPa，对不同支护阻力下的围岩变形进行分析，得到如图5 所示的巷道围岩不同位置的变形曲线。

图5 巷道围岩变形随支护阻力的变化曲线

从图5 可以看出，随着支护阻力的增加，巷道围岩的变形呈现减小的趋势，其中顶板的减小量最大，且变化趋势逐渐趋于平缓[11]。在支护阻力小于0.4 MPa时，随着支护阻力的增加，巷道围岩的变形量减小明显，当支护阻力大于0.4 MPa 时，围岩的变形量减小趋势变缓，此时继续增加支护阻力对巷道的变形起到的作用较小。这说明，在进行巷道支护的过程中，选取合适的支护阻力可以提高巷道的稳定性，但支护阻力的增加具有支护边界效应递减的作用，仅靠提高支护阻力防止巷道的变形是不可取的。随着支护阻力的增加，其对巷道围岩的影响作用是不对称的，可以减小顶底板的位移变形，但对两帮的变形作用较小[12]。

3 结论

1）随着垂直应力及侧压系数的增加，巷道的变形呈增加的趋势，侧压系数小于1 时，对巷道的变形作用不大，侧压系数大于1 时，巷道的变形迅速增加，且以顶板的变形量最大，此时进行支护时应重点考虑侧压系数的影响。

2）随着支护阻力的增加，巷道围岩的变形呈现减小的趋势，其中以顶板的减小量最大，支护阻力小于0.4 MPa 时，随着支护阻力的增加，巷道围岩的变形量减小明显，当支护阻力大于0.4 MPa 时，围岩的变形量减小较少，此时继续增加支护阻力对巷道的变形起到的作用较小。