顶煤影响下围岩应力演化数值模拟分析研究

张云宁 岳 博 刘 竞

（1.兖矿集团有限公司山东煤炭技术研究所，山东 济宁 272000；2.兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁 272000）

在我国煤矿资源开采中，厚煤层资源量产量约占煤炭资源总量的44%，顶煤的稳定性对于厚煤层巷道有至关重要的意义[1]。许多学者就厚煤层煤巷掘进期间应力演化及变形特征进行了大量研究，谢正正等[2]采用离散元数值模拟研究了锚杆长度与围岩损伤之间的关联机制；孟庆彬等[3]采用FLAC3D模拟研究了不同条件下大断面软弱破碎围岩煤巷开挖后围岩变形特征、塑性区演化规律及应力分布特征；张镇等[4]对锚杆（索）的应力场分布特征与规律进行了模拟分析；王国栋[5]模拟了锚杆与钢带对大断面煤巷的支护作用，结果表明，锚带支护比单独锚杆支护能够更好地对浅部围岩提供支护力。本文以济宁三号煤矿53下07 工作面胶带顺槽为工程背景，模拟分析不同顶煤厚度下的煤巷应力演化规律。

1 工程概况

兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿设计生产能力500 万t/a，煤层埋深500 m，采用立井开拓。

53下07 工作面所采煤层为3下煤层，f=1～2，煤厚2.8～5.20 m，平均厚3.76 m。煤层基本顶为中砂岩，厚度18.9～24.73，平均厚度约为21.25 m，f=8～10；直接顶为粉砂岩，厚度0～2.50 m；直接底为泥岩及粉砂岩，厚度2.45～2.83 m，f=4～6；基本底为细砂岩，厚度2.20～5.90 m，f=6～8。

2 模型建立

53下07 工作面胶带顺槽顶煤厚度的变化直接影响煤巷的稳定性，为了探索顶煤影响下围岩应力及承载能力的变化，使用FLAC3D模拟软件进行建模，对不同顶煤厚度下煤巷各层位的垂直应力、水平应力及剪应力演化特征进行研究。

模型岩层分布据矿方提供的53下07 工作面综合柱状图进行建设，具体物理力学参数见表1，模型如图1。模型长×宽×高=200 m×50 m×102 m，巷道位于模型中部。限制模型侧面位移并固定底部边界，将模型顶板以上岩层对模型垂直应力简化为作用于模型顶板的均布载荷，大小约15.25 MPa，巷道长×宽=4.7 m×3.4 m，沿煤层底板掘进。岩层本构模型采用Mohr-Coulomb 模型，共设置3 种模拟方案，煤层厚度分别为5.4 m、7.4 m 和9.4 m，对应巷道顶煤厚度2 m、4 m和6 m。巷道长度200 m，每次掘进20 m，每次掘进后计算100 步，巷道掘进完成后模型最终计算至平衡。取掘进140 m 时进行分析。

表1 煤岩试样物理力学参数

图1 巷道数值模型

3 数值模拟分析

3.1 均匀煤层厚度分析

为了研究巷道在不同特定煤层厚度的应力演化特征，巷道顶煤厚度分别设置为2 m、4 m、6 m 均层布置，分析不同煤层厚度对巷道垂直应力分布产生的影响。模拟结果如图2。

图2 垂直应力沿巷道轴线剖面图

（1）巷道轴线垂直应力分布

2 m 顶煤条件下，巷道上方1 m 层位的顶煤破坏严重，垂直应力值仅为原岩应力的1/11，而且在掘进迎头附近出现拉应力区，在巷道上方2 m 以上层位保持稳定的应力梯度。

4 m 顶煤条件下，3 m 和4 m 层位的顶煤应力降低幅度最大，大幅度的应力释放代表着煤体的损伤破坏。2 m 和4 m 顶煤条件下，巷道上方5 m 位置均为粉砂岩，而前者岩体内部的垂直应力水平要高于后者，而且稳定变化，没有比较明显的应力释放现象发生。这说明顶煤厚度的增加，对顶板岩层的稳定性和完整性产生了不利影响。

6 m 顶煤条件下，高位5 m 处的顶煤应力曲线的波动与巷道开挖相协调，在滞后迎头40 m 范围内应力降低了三次，煤体承载能力明显降低。

顶煤厚度的增加对巷道垂直应力产生不同程度的影响，总体而言，顶煤厚度增加导致煤巷稳定性逐渐降低。

（2）巷道腰线水平应力分布

由图3 可知，随着煤层厚度的增加，巷道两帮形成的应力集中越来越大，其应力峰值位置距离煤壁越来越远。巷道开挖后，顶板承载上覆载荷，一旦顶板失稳或发生离层，应力不能有效传递或者承载能力下降，其承担的载荷将向巷道两侧及煤帮转移。两帮煤壁在顶底板夹持作用下形成压应力集中，顶板的支护强度不足时，上覆载荷分流至两帮，煤体的弱承载区增大，这不仅会导致其自身的大变形，还会失去对顶底板岩层的抑制作用，使巷道的等效跨度扩大，引发顶底板的进一步变形。

3.2 渐变煤层厚度分析

重新建立模型如图4，模型尺寸为200 m×50 m×102 m，巷道长度200 m，将巷道上方顶煤厚度由2～6 m 范围内平稳变化，其中巷道0 m 和200 m处上方顶煤为2 m，100 m 处上方顶煤为6 m。顶煤上方直接顶依旧为粉砂岩，且厚度不变。巷道分10次开挖，每次开挖20 m，计算100 步后继续开挖，直至计算平衡。

图4 顶煤厚度变化条件下的数值模型图

取巷道掘进100 m 时和掘进稳定期进行分析，选取巷道上方6 m 范围内的煤岩层，研究其垂直应力演化规律，可得图5。

图5 巷道顶板垂直应力分布图

由图5 可以看出，巷道上方的垂直应力水平随着距离巷道表面的距离增加而增加，且曲线每段波动与每次开挖相对应。对比两图可知，在滞后迎头50 m 处，垂直应力的演化趋近平稳。巷道掘进稳定后，在顶煤厚度较小的位置，其高位顶板（巷道上方3 m 以上）的垂直应力要大于掘进期间的垂直应力水平；而顶煤厚度较大的位置，其掘进稳定时期高位顶板的垂直应力要小于掘进期间的垂直应力。巷道掘出后，浅表顶煤破碎稳定性降低，应力向深部转移，顶煤厚度较小时，高位顶板为直接顶岩体，直接顶岩体强度要高于煤体，直接顶岩体能够承担载荷，因此应力水平增加，且应力不会向深部继续转移；而同样顶板层位，顶煤厚度较大时高位顶板是煤体，下位煤体破坏后，裂隙发育至高位煤体，导致其强度降低，顶煤由浅至深逐渐发生破坏，在经历过掘进扰动后，高位煤体又经历第二次破坏，内部应力水平进一步降低，无法继续承担载荷，应力继续向更高位的煤岩体转移。在顶煤厚度5 m 以上位置的掘进过程中，迎头20 m 范围内顶板上方出现了不均匀的应力梯度变化，表明在巷道上方2～3 m、4～5 m 位置出现应力的不连续传递，因此极有可能出现不连续变形和离层破坏。而且随着顶煤厚度的增加，巷道上方同样层位煤岩体的应力水平在持续下降，说明顶煤厚度增加对巷道顶板的承载产生不利影响。

4 结论

（1）不同顶煤厚度条件下，巷道上方的应力分布趋势大致相同，即随着距离巷道表面的高度增加，应力逐渐升高。顶煤表面应力水平极低，并存在拉应力区。

（2）随着巷道的掘进，顶板整体垂直应力云图呈现为“C 型应力嵌套环”，环绕两帮和迎头形成应力释放区，且顶板中部应力降低最大。通过分析厚煤层巷道掘进迎头区域应力分布特征，得到了掘进迎头顶板不同层位、煤帮内部不同深度的垂直应力演化规律。

（3）得到了不同顶煤厚度对于巷道围岩应力水平的影响机制，随着顶煤厚度的增加，同样层位煤岩体的应力水平在持续下降，承载能力降低，且应力传递不连续，顶煤厚度增加对巷道顶板的承载产生不利影响。