古山矿综放工作面两巷围岩破坏分析

摘要：本文结合古山矿工程地质条件，运用数值模拟方法，模拟分析了综放工作面两巷围岩变形破坏特征，总结出古山矿综放工作面两巷围岩的破坏规律与破坏特征。
    关键词：煤巷 数值模拟 破坏特征
    1 综放工作面两巷围岩变形特性
    放顶煤工作面两巷围岩所在的煤系地层，煤体中存在着许多原生裂隙，对于实体煤巷道而言，在受开挖和回采影响以前，煤体处于一个稳定的应力应变环境中，受掘进和回采工作面采动影响[1]，巷道表面煤体会在原生裂隙基础上产生一些新裂隙，特别是受采动影响，在超前支承压力作用下，巷道围岩会产生大量新的裂隙，巷道变形会相对比较严重。围岩变形对应力的反应比较敏感，加上煤体强度相对较低，其结果是围岩的变形有两个特点[2]：一是变形的程度相对较大；二是变形以围岩块体间的错动和扩容为主。
    2 065-2综放工作面两巷工程地质条件
    2.1 工作面地质条件 古山矿三井是该矿主要生产矿井，生产能力60万吨/年。可采煤层6-1、6-2，煤层厚度分别为12、24米，倾角平均为22度。煤层顶板为强度较低的白砂岩，底板为砂质泥岩。
    2.2 支护方式 工作面两巷断面形状为梯形，净断面12平方米，支护方式为11#工字钢。受采动压力影响较大，巷道破坏严重，局部冒顶高达5米左右。已经严重影响到矿井的正常安全生产。初步分析其原因是：(①围岩强度低，其煤质较松软。②围岩在支护中起着重要作用，支护在很大程度上是发挥围岩的自承能力，而现有棚式支护，属于被动支护不能有效的控制围岩的变形。③经实测该矿井最大主应力为20MPa，应力水平比较高。
    3 065-2综放工作面两巷围岩破坏的数值分析
    本文采用有限差分软件FLAC，对古山矿梯形断面11#工字钢支护条件下的综放工作面回采巷道进行数值模拟计算，根据模拟结果分析总结出巷道破坏原因。模型依据巷道的实际地质条件建立，围岩参数均为实验和现场测试所得。
    通过模拟，获得了巷道在该支护条件下的围岩应力图和巷道表面位移曲线。
    3.1 应力分布特征
    由于巷道的开挖，形成一个空间，其原有应力状态被改变，由原来的三向应力状态变为两向应力状态，在巷道顶板中心处，垂直应力及水平应力均表现为零，说明在该处的围岩破坏形式为拉破坏。在距巷道顶板中心1.7处出现大范围高水平应力集中，而垂直应力相对较小，这说明在巷道顶板内部出现岩层的水平错动，即巷道顶板内部可能产生离层或发生剪切破坏。其后应力有所降低，至巷顶5m处，围岩基本不受巷道开挖的影响。巷道的四个角点有明显的应力集中，且应力集中应力集中系数达到2.5，这说明梯形断面巷道拐角处容易产生应力集中，应力集中值大于该处围岩的强度时，该处围岩就会产生屈服破坏，其破坏的主要形式为剪切破坏。
    在巷道底板边缘处水平应力和垂直应力集中程度都比较小，但在底板深处出现大范围的高水平应力集中，并且垂直应力相对要小得多，同样，此现象说明巷道底板也是承受着较大的水平压应力。与顶板所不同的是该巷道沿煤层底板掘进，其底板岩层强度高于煤层，所能承受的强度比较大。
    对煤帮而言，从图中可以看出垂直应力在巷帮1~1.5处出现大范围应力集中，应力集中系数为2，而水平应力在此范围内其数值接近或为零，此现象表面巷帮主要受垂直压力而产生劈裂破坏，将其由直变曲，改变周边应力的量值和方向，特别是改变危险部位两帮中点处围岩的应力状态，其结果是造成巷道片帮或是棚腿折断等。
    3.2 变形分析 变形是衡量支护效果和围岩稳定性的主要指标之一。前面的分析是的巷道围岩应力分布规律，而应力是围岩产生变形及位移的根本原因。因此，很有必要对变形特征进行研究，评价其支护性能的好坏。
    巷道破坏主要是顶板沿Y轴方向发生冒顶、帮部沿X轴方向发生坍塌、底板在地应力下发生底鼓等几种形式，因此主要看这几个方向的位移。
    在采用梯形断面11#工字钢支护时巷道顶板的位移为110mm，底鼓量为45mm，其两帮收敛量为130mm，总体上看巷道断面在收敛，如果再承受采动影响，巷道的变形量会更加严重，以至于不能满足通风、行人和运输的要求，可见该支护不能很好的控制巷道变形。
    4 结论与建议
    综上分析可以得出：在现有的支护条件下，梯形断面巷道容易形成高应力集中，巷道形状是该巷道破坏的原因之一。此外，所采用的11#工字支护形式属于被动支护，不能很好的利用围岩的自撑能力，不从根本上抑制巷道变形收敛。因此，针对以上分析建议选择合理的巷道形状，采用对围岩控制能力较强的锚杆网索支护形式。
    参考文献:
    [1]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].煤炭工业出版社.1984.2.
    [2]马念杰，侯朝炯.基采准巷道矿压理论及应用[M].北京煤炭工业出版社.1995. 来源: 《www.jianzhu518.com》.