底抽巷条件下底板岩体变形破坏规律数值模拟研究

许 起，常晋雷，徐 兵，秦宇鹏，李见波

(1. 山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600；2. 华北科技学院 矿山安全学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

一些煤层既赋存瓦斯又受到承压水威胁，这类矿井生产时需要面对瓦斯防治与底板水害防治双重难题。实践中，由于高抽巷施工困难、抽采效率低，通过底抽巷预抽上方煤层瓦斯成为常用的工作面防止瓦斯突出手段。然而，底抽巷的施工将会破坏煤层底板的完整性，而且工作面回采过程中，底抽巷周边围岩在采动影响下破坏加剧，这将导致煤层底板的阻隔水性能进一步降低，增加了底板突水的可能性。本文开展底抽巷对工作面开采卸压后底板岩体应力场和位移场的影响研究，对类似矿井的底抽巷布置具有指导作用。

查阅文献发现，针对底板抽放巷道的研究多以布置形式和支护方式等为主。李永恩[1]通过理论分析和数值模拟对承压水上底抽巷周边围岩破坏情况和位置进行分析；张波等[2]通过理论和数值模拟分析煤层底板采动破坏深度预测方法；蒋先统[3]根据非线性多元回归方法对浅埋和复合关键层条件下底抽巷的布置进行研究；针对底抽巷钻孔设计及封孔的深度，程志恒[4]开展相关研究；刘志伟[5]分析了高瓦斯突出煤层开采时底抽巷的位置问题；程蓬等[6]对底抽巷道周边围岩的稳定性及支护等开展相关研究。相对而言，底板破坏深度的研究比较成熟，段晓博等[7]对采动极近煤层同采面的底板破坏深度进行研究；孔皖军等[8]对采动条件下底板岩层破坏深度动态测试研究；董书宁等[9]研究了奥灰含水层上部改造与利用及底板破坏深度；张风达等[10]研究底板岩体破坏与岩石内摩擦角的关系；许延春等[11]针对水压力和埋深大的条件开展了巷道围压变形突水试验。

可以看出，相关文献针对工作面卸压开采后底抽巷道布置对底板岩体应力场和位移场的影响机制研究较少。本文从现场问题出发，针对底抽巷道对煤层底板变形破坏规律的影响进行数值分析，研究对大水矿区的类似底抽巷布置有一定的指导作用。

1 底抽巷布置基本条件

1.1 布置条件

研究工作面底抽巷布置在运输巷下方，巷道顶板、底板岩层裂隙非常发育，底抽巷直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，岩层完整性较好，但易遇水软化而膨胀。直接底为石灰岩灰色，隐晶质结构，裂隙发育，充填方解石脉。该工作面直接充水含水层为八灰，含水层厚约8 m，煤层底板距离八灰约22 m。

理论上，若底抽巷道布置在底板破坏区，巷道维护困难；当巷道布置在深部岩层，虽然巷道对底板破坏区影响较小，但是，与深部承压含水层近，较易形成水害。实践中，底板巷道布置一般按照布置在底板破坏带以下而又尽可能远离含水层的原则。煤层开采导致底板岩层发生移动破坏，概化得到底抽巷道条件下底板岩层破坏与变形如图1所示。底板岩层从上而下可分为压剪破坏区、中间岩层和中深部岩层。直接压剪破坏区是支承压力作用下形成的底板破坏区，根据地基破坏和经典矿山压力理论可得到。在煤层开采后，采空区范围底板岩体垂向应力解除，底板岩层的应力状态由三向应力状态转变为二向应力状态或是单向应力状态，中间岩层扰动变形较大，深部岩层受到扰动较小。

图1 底抽巷空间布置示意图

1.2 底抽巷对中深部岩层影响分析

以底抽巷道所在层位的中间岩层为研究对象，底抽巷道的存在使得中间岩梁端部厚度减小，底抽巷对底板破坏区以下的其所在层位岩层影响明显。根据矿山压力与两端固支梁理论，假设两端为固定端约束，底部为分布力约束。忽略煤层底板中间岩层上方的破坏岩体自重影响，底板中间岩层的概化模型符合梁弯曲模型，如图2所示。

图2 底抽巷作用下中间岩层受力分析

在岩层纵向剖面上，两端固支梁在下方载荷p作用下发生弯曲变形，变形程度与梁的长度、弹性模量、截面矩及分布载荷等有关。当几何条件和应力环境不变时，弹性模量是影响梁弯曲的重要参数。一般地，挠度w与弹性模量E成反比。应力σ与弯矩M的关系为：σ=My′/Iz=Ey′/ρ；当岩梁端部应力σ大于岩梁端部许用应力[σ]时，即σ>[σ]，岩梁发生破坏。底抽巷道的存在使得中间岩梁的端部厚度减小，底抽巷所在层位中间岩层端部的抗弯矩能力降低，使得岩层更容易变形或者破坏。

2 采空区下方底抽巷道影响岩体变形数值分析

以实际工程作为参考，建立模型的长宽高为334 m、300 m、190 m。设工作面开挖长度为134 m，煤层厚度为6 m，模型为水平煤层。设计两条底抽巷道，左侧底抽巷坐标x(103，109)、y(0，300)和z(120，126)的坐标上，右侧的底抽巷处在x(225，231)、y(0，300)和z(120，126)的坐标上。数值模型如图3(a)所示。

图3 数值模型与测点布置

监测点布置如图3(b)所示。应力分析时，将模型中竖向一列监测点设置为一条测线。在水平方向上共有9条测线(记为6#，7#，…14#)，每条测线设置12个测点(记为61，62，…)。位移分析时，则将模型中同一高度的监测点设置为一条测线。在垂向上共有12条测线，每条测线设置9个测点。

以实际的柱状图为参考依据，进行数值模拟设计。考虑数值模拟效果修正参数，数值计算中使用的关键岩层及力学参数如表1所示。

表1 模拟中关键岩层岩体力学参数

在判断基岩破坏时，选用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型：

(1)

其中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，MPa；C为岩石内聚力，MPa；φ为岩石内摩擦角。

当f≥0时，岩石发生破坏。固定X、Y轴边界水平位移和Z轴下边界垂直位移，上边界则施加补偿载荷。先模拟分析底抽巷道对底板原岩应力和位移的影响，继而分析煤层开采导致底板岩体卸压后，底抽巷对围岩的应力和塑性破坏区和垂向位移的影响。

3 计算结果分析

3.1 底抽巷作用下底板岩体应力场扰动特征

测线6号、7号、8号和10号上的监测点得到的开挖时步与应力关系曲线如图4所示。受底抽巷道的影响，工作面推采过程中，底板岩体应力曲线呈现两次扰动特征；而无底抽巷道时，应力曲线仅呈现一次扰动特征。

图4 底抽巷条件下工作面开挖时各测点应力变化曲线

(1) 有底抽巷时，应力曲线有两次波动，底板岩体应力场分别受到底抽巷道施工和工作面开采的影响。底板岩体应力场被扰动后再稳定的时间不同。底抽巷道开挖完成后，巷道周边应力升高，然后趋于稳定。两次应力平衡时间不同，底抽巷道开挖后，与工作面采动后相比较，平衡时步更少，再次平衡约需500时步。而工作面开采后，底板岩体应力场再次被扰动，此时应力场重新平衡的时间约需2000时步。

(2) 在横向上，底抽巷施工对测线8-10号测线的应力曲线的影响较小，该阶段应力曲线基本没有变化，应力趋于稳定，且与无底抽巷道时的监测到的应力相同。在横向断面上，由于底抽巷道空间相对较小，离底抽巷道较远处应力并未受到很大影响。底抽巷道开挖，在巷道松动圈外围形成高应力区，而在远离底抽巷的区域应力没有被扰动。如距离底抽巷较远的10号测线上，12个测点的应力大小与其在煤层底板中的深度呈线性相关，底板深度越大，其应力值越高。

(3) 在垂向上，62#测点距离采空区距离近，其监测应力曲线值最低。测点63#、64#和66#监测应力较高，其中64#测点对应于底抽巷道上拱与下方矩形交叉处，应力较高；7号测线应力曲线规律与6号测线相似。

3.2 底板岩体垂向位移变化

垂向上，将数值模型中同一高度的监测点设置为一条测线。根据测线所在层位距离煤层底板的深度(分别为3 m，6 m，…37 m)设置12条测线，每条测线布置9个测点。有、无底抽巷道时距离煤层底板不同深度测线的垂向位移曲线如图5所示。

图5 距离煤层底板不同深度测线的垂向位移曲线

当工作面推采300 m时，若无底抽巷道，底板岩体中的12条测线变形规律一致，表现为垂直向上的弯曲变形，符合固支岩梁的抗弯变形机制。以底抽巷道为界，12组测线在垂向上分为两组，下面一组呈现拱形，上面一组呈现近似梯形。底抽巷道条件下，底板岩体垂向位移变大。无底抽巷道时，采空区下方底板最大位移40.4 cm；有底抽巷道时，采空区下方底板最大位移为44.3 cm。在底抽巷道周边位移变化明显，现场实践中应采取合理的巷道加固措施。

3.3 底抽巷道对底板岩体破坏影响

选取工作面推进距离80 m时的塑性破坏区进行分析，包括有底抽巷道和无底抽巷道两种条件，如图6所示。两种条件下主要底板破坏深度区域的深度相近约44 m。底抽巷条件下，深部岩层扰动破坏区显现，受到岩性和应力的影响，可能扰动区不太明显。但在持续采动、岩层蠕变等作用下，有继续扰动破坏甚至破坏区联通的可能性，需要采区加固措施。实践中，一些大水矿区工作面也都采取措施加固底抽巷，降低其对底板破坏区的影响，如可采用全断面充填巷道，或者浆液充填套管进行加固岩层等。

图6 围岩塑性破坏区

4 结论

(1) 底抽巷使中间岩梁端部厚度减小，导致底抽巷所在层位岩梁端部抗弯矩能力降低，此处更容易变形或破坏。底抽巷道条件下，工作面开采时底板岩体应力场受两次扰动，底抽巷道开挖时应力场再平衡所需时步比工作面采动时需要的平衡时步要少。数值结果显示底抽巷开挖后在巷道松动圈外围形成高应力区；在远离底抽巷的区域应力没有被扰动，远离底抽巷区域应力大小仍与其在煤层底板中的深度呈线性关系，底板深度越大处的监测点应力值越高，底板中的监测点距离采空区距离越近，其监测应力曲线值越低。

(2) 无底抽巷道时底板岩体中的12条测线变形规律一致，符合固支梁的抗弯变形机制，垂直向上表现为的弯曲变形。以底抽巷道为界，各测线监测的位移曲线在垂向上分为两组，底抽巷下方曲线呈现拱形，底抽巷上方呈现近似梯形，而且底板岩体垂向位移比没有底抽巷时大。无底抽巷道时，采空区下方底板最大位移40.4 cm；有底抽巷道时，最大位移在靠近底抽巷道上方，为44.3 cm。为防止底抽巷道的威胁，现场实践中应采取相应巷道加固措施，如巷道全断面充填或者浆液充填套管加固等。