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摘要：文章通过MIDAS/GTS软件对黄陵二号煤矿回采巷道进行模拟，得到了黄陵二号煤矿巷道松动区的分布情况，同时对影响松动区分布的不同因素进行模拟研究，得到了不同因素对巷道松动区分布的影响规律，为优化巷道支护设计与施工技术创造了条件，为煤炭生产提供有效的技术支持。
关键词：MIDAS/GTS软件；数值模拟技术；煤矿巷道；巷道松动；演化规律 文献标识码：A
中图分类号：P642 文章编号：1009-2374（2016）05-0143-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.072
1 概况
陕西黄陵二号煤矿位于陕西省黄陵县双龙镇，井田面积351.9km2，矿井核定生产能力800万吨/年。矿井采用斜井开拓，单水平、分盘区开采，主要大巷沿煤层布置。采煤工艺为综合机械化长壁采煤法开采，全部垮落法管理顶板。目前开采的2号煤层层位稳定，厚度3～5.6m，规律性明显；煤层伪顶厚度较薄，一般0.50m左右，多为泥岩和炭质泥岩、砂质泥岩；直接顶板以粉砂岩、细粒砂岩为主，厚度0.78～23.48m，一般厚度为1.50～8.00m左右；老顶以灰白色-浅灰白色中-细粒砂岩为主（即K2标志层）。厚度1.00～34.20m，一般5.0～10.0m；直接底板几乎全部为泥岩、砂质泥岩，少量炭质泥岩，含植物根系化石，遇水膨胀，厚度0.50～9.43m，一般厚度1.0～2.0m。
2 试验材料相关力学参数
黄陵二号煤矿回采巷道所处地层条件一般是：直接顶板为砂岩，巷道位于煤层之中，巷道底板为泥岩，具体材料力学参数如表1所示：
3 边界条件和加载模式
计算模型按面力边界条件设置，如图1所示。二号煤矿巷道埋深为450m，故取上覆岩层荷载为11250kN/m2。巷道既有锚索支护排距为1.6m。模型及网格划分如图2所示，巷道部分单元长度取1m，其他部分单元长度可适当取大，以便减小计算量，节约计算时间。
4 模拟过程及结果分析
4.1 模拟过程
模拟计算分两部分：第一部分是在重力作用下，模拟固结过程；第二部分是在前一步基础上，利用“杀死”巷道单元来模拟开挖，共分为六步开挖。模拟分为有支护和无支护两种，以对比分析现有支护的作用。为体现巷道开挖过程中的空间效应，取y=5m截面为观测面，随巷道开挖过程可得距离工作面正头5m、15m、25m、35m、45m、55m时观测面的位移变化情况和松动区分布。
4.2 结果分析
有支护作用时，根据观测面位移结果云图可知，巷道竖向位移为顶板中央处最大。巷道顶板最大下沉量和距工作面正头的距离的关系如图3中曲线所示。
动区分布图
如图4可见，距离随着工作面正头的向前推进，端部效应逐渐减弱，巷道围岩的顶板下沉量逐渐增大。但可以看出，当观测截面与工作面正头距离在15m以内时顶板下沉量增加明显，当大于15m时顶板沉降逐渐趋于平稳，可以得出工作面正头的端部效应影响范围小于15m。
如图3和图4可知，由于巷道处于煤层中，模拟结果显示在既有支护方式下，巷道围岩松动范围大小为2.68m。工作面正头端部效应对巷道松动区分布的影响效果和对顶板沉降的影响效果类似，当工作面正头推进距离大于15m时，松动区分布趋于平稳，不再扩大，如图5所示。
在无支护的情况下，巷道围岩松动圈如图6所示。由图6可知，在无支护情况下，巷道松动圈有明显增大，最大松动范围达3.51m，并且在两帮和顶部的变形明显增加。由此可见现有支护措施是有效的，对限制松动圈的发展有积极作用。
5 应力集中区域松动圈模拟
巷道相交处由于形状不均匀，会形成应力集中区域，因此此处更易破坏。以此对巷道交点处进行三维建模模拟，以得到松动圈分布，计算模型及计算结果如图7和图8所示。
为方便看出巷道拐角（应力集中）处松动圈大小，对模型进行对角线剖切，从剖切面图可以看出，其松动圈的大小如图9所示。
由图10可以看出，应力集中区松动圈明显较巷道松动圈大，其最大值约为3.4m，因此应对巷道拐角等应力集中区加强支护，保证安全。
6 不同岩性对松动区的影响
为了表现巷道不同区域岩性差异导致的松动区范围差异，可以通过改变围岩的不同参数，得到其影响结果。
一般来说，岩体具有高的抗压强度和极低的抗拉、抗剪强度，结合摩尔库伦准则单轴抗压强度表达式。（式中：为内摩擦角；为黏聚力）可以发现，只需具体研究内摩擦角及粘聚力各自变化时的影响就行了。下面分别模拟研究内摩擦角、黏聚力、巷道高度变化对松动圈的影响。在模拟过程中，在此可以不考虑模型空间效应，故采用简化的二维模型来计算，以此减少计算量和计算时间。二维简化模型如图11所示：
6.1 内摩擦角对松动范围的影响
当巷道围岩较为破碎时，可以表现为围岩内摩擦角变小。内摩擦角在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角，在这个角度内，块体是稳定的：大于这个角度，块体就会产生滑动。具体到工程上，岩体内摩擦角很大程度上表征了岩体的完整性，是评价岩体强度的重要指标之一。在黏聚力一定时，内摩擦角越小，岩体强度越高，反之强度越低。
为了计算结果具有可比性，模型参数只改变摩擦角φ值，其他参数取值不变。分别对变化量为±2°、±4°、±8°进行模拟计算，从模拟计算结果上可知：松动区分布明显都随内摩擦角增大而减小，且都集中在两帮和底脚，并且巷道的竖向位移也随着内摩擦角的增大而减小。为进一步研究摩擦角变化与松动区厚度值变化的关系，将模拟结果用折线图表示如图12所示，顶板下沉与摩擦角关系如图13所示。
由折线图12、图13可知，同等条件下，岩体开挖后松动圈范围随岩体内摩擦角增大而减小，且摩擦角较小时，松动区范围随摩擦角增大而减小较为明显。即围岩完整性越好，巷道松动圈越小。这就需要我们在巷道掘进过程中能够充分地保护围岩的完整性，发挥其自承能力。巷道顶板下沉量也遵循此规律。
6.2 黏聚力对松动范围的影响
黏聚力原本是用于评价黏性土强度的一个重要指标，但显然天然的岩体也具有土体相类似的性质，岩体黏聚力的大小表征了构成岩体各矿物成分及各结构面的胶结强弱，因此黏聚力也通常作为岩体质量等级划分的一个重要指标被考虑。
在巷道不同区域，围岩质量也有差异，如对于巷道顶板而言，粉砂岩与细砂岩的黏聚力就有很大差异，其黏聚力对松动圈范围影响明显。
为了研究黏聚力C对松动圈厚度的影响，在不改变其他参数的情况下，对总体底层的黏聚力进行变化以对比研究。为此取C变化值为±0.5MPa、±1MPa、±1.5MPa进行模拟。从模拟结果中可以看出，随着黏聚力增大，巷道的松动区逐渐减小，同时巷道竖向位移也呈减小趋势。为进一步研究黏聚力变化与松动区厚度值变化的关系，将模拟结果用曲线图表示，如图14所示。
图14 内聚力变化对松动区
的影响 图15 内聚力变化对顶板沉降量的影响
由图15可以看出，同等条件下，岩体开挖后松动圈厚度随岩体黏聚力强度增大而减小。同时由于岩石强度的增高，顶板下沉量也同步减小。
6.3 巷道高度对松动范围的影响
为研究巷道高度对松动区的影响，在巷道跨度（5m）不变的情况下，分别改变巷道的高度为5m、4.5m、4m、3.5m，使其跨高比分别为1.0、1.11、1.25、1.43，以此对比分析巷道高度的影响。
从模拟计算中可知，在跨度不变的情况下，增大跨高比（即减小巷道高度）时，巷道松动区会逐渐减小，巷道顶板沉降也逐渐减少。
为了更形象地体现巷道高度对松动区分布的影响，根据模拟计算的数据绘出高跨比与松动区范围和顶板沉降量的关系图，如图16所示。
由图16可以看出，跨度不变时，减小巷道的高度，可以减少巷道松动区范围，同时减少巷道的竖向位移。
7 结语
（1）模拟得到，在现行支护条件下，巷道围岩松动范围大小为2.68m，基本上与实测结果相似。由于模拟过程参数选取条件存在的局限性，以数值模拟结果作参考，进行必要的现场监测，监测结果与数值模拟结果是必要的。模拟的巷道围岩松动范围与实测结果存在差异是客观的，经过适当的参数调整，再模拟分析得到的内摩擦角、黏聚力和巷道高度对巷道围岩松动范围的影响将使模拟分析更具有效性和可应用性。（2）在未支护条件下，巷道围岩松动圈明显增大，范围大小约为3.51m。可见现有支护措施是有效的，限制了松动圈的发展。（3）应力集中区松动圈明显较巷道松动圈大，其最大值约为3.4m，因此应对巷道拐角等应力集中区加强支护，保证安全。（4）巷道掘进过程中，由于工作面端部效应而受到影响的范围在15m以内，即当工作面推进到离巷道某测点断面大于15m时巷道的应力和位移状态已趋于稳定。（5）不同岩石性质的不同，内摩擦角值的影响：同等条件下，地下巷道开挖后形成的松动区的厚度值随摩擦角增大而减小，且摩擦角较小时，松动区厚度随摩擦角值增大而减小较为明显。（6）黏聚力强度c值的影响：同等条件下，巷道开挖后形成的松动区厚度值随黏聚力强度值增大而减小。屈服区以剪切屈服为主，拉伸屈服只发生在铜室壁很小范围内。（7）在巷道跨度不变的情况下，减小巷道高度，即增大跨高比，将会使巷道开挖的松动区厚度值减小。
（责任编辑：蒋建华）
关键词：MIDAS/GTS软件；数值模拟技术；煤矿巷道；巷道松动；演化规律 文献标识码：A
中图分类号：P642 文章编号：1009-2374（2016）05-0143-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.072
1 概况
陕西黄陵二号煤矿位于陕西省黄陵县双龙镇，井田面积351.9km2，矿井核定生产能力800万吨/年。矿井采用斜井开拓，单水平、分盘区开采，主要大巷沿煤层布置。采煤工艺为综合机械化长壁采煤法开采，全部垮落法管理顶板。目前开采的2号煤层层位稳定，厚度3～5.6m，规律性明显；煤层伪顶厚度较薄，一般0.50m左右，多为泥岩和炭质泥岩、砂质泥岩；直接顶板以粉砂岩、细粒砂岩为主，厚度0.78～23.48m，一般厚度为1.50～8.00m左右；老顶以灰白色-浅灰白色中-细粒砂岩为主（即K2标志层）。厚度1.00～34.20m，一般5.0～10.0m；直接底板几乎全部为泥岩、砂质泥岩，少量炭质泥岩，含植物根系化石，遇水膨胀，厚度0.50～9.43m，一般厚度1.0～2.0m。
2 试验材料相关力学参数
黄陵二号煤矿回采巷道所处地层条件一般是：直接顶板为砂岩，巷道位于煤层之中，巷道底板为泥岩，具体材料力学参数如表1所示：
3 边界条件和加载模式
计算模型按面力边界条件设置，如图1所示。二号煤矿巷道埋深为450m，故取上覆岩层荷载为11250kN/m2。巷道既有锚索支护排距为1.6m。模型及网格划分如图2所示，巷道部分单元长度取1m，其他部分单元长度可适当取大，以便减小计算量，节约计算时间。
4 模拟过程及结果分析
4.1 模拟过程
模拟计算分两部分：第一部分是在重力作用下，模拟固结过程；第二部分是在前一步基础上，利用“杀死”巷道单元来模拟开挖，共分为六步开挖。模拟分为有支护和无支护两种，以对比分析现有支护的作用。为体现巷道开挖过程中的空间效应，取y=5m截面为观测面，随巷道开挖过程可得距离工作面正头5m、15m、25m、35m、45m、55m时观测面的位移变化情况和松动区分布。
4.2 结果分析
有支护作用时，根据观测面位移结果云图可知，巷道竖向位移为顶板中央处最大。巷道顶板最大下沉量和距工作面正头的距离的关系如图3中曲线所示。
动区分布图
如图4可见，距离随着工作面正头的向前推进，端部效应逐渐减弱，巷道围岩的顶板下沉量逐渐增大。但可以看出，当观测截面与工作面正头距离在15m以内时顶板下沉量增加明显，当大于15m时顶板沉降逐渐趋于平稳，可以得出工作面正头的端部效应影响范围小于15m。
如图3和图4可知，由于巷道处于煤层中，模拟结果显示在既有支护方式下，巷道围岩松动范围大小为2.68m。工作面正头端部效应对巷道松动区分布的影响效果和对顶板沉降的影响效果类似，当工作面正头推进距离大于15m时，松动区分布趋于平稳，不再扩大，如图5所示。
在无支护的情况下，巷道围岩松动圈如图6所示。由图6可知，在无支护情况下，巷道松动圈有明显增大，最大松动范围达3.51m，并且在两帮和顶部的变形明显增加。由此可见现有支护措施是有效的，对限制松动圈的发展有积极作用。
5 应力集中区域松动圈模拟
巷道相交处由于形状不均匀，会形成应力集中区域，因此此处更易破坏。以此对巷道交点处进行三维建模模拟，以得到松动圈分布，计算模型及计算结果如图7和图8所示。
为方便看出巷道拐角（应力集中）处松动圈大小，对模型进行对角线剖切，从剖切面图可以看出，其松动圈的大小如图9所示。
由图10可以看出，应力集中区松动圈明显较巷道松动圈大，其最大值约为3.4m，因此应对巷道拐角等应力集中区加强支护，保证安全。
6 不同岩性对松动区的影响
为了表现巷道不同区域岩性差异导致的松动区范围差异，可以通过改变围岩的不同参数，得到其影响结果。
一般来说，岩体具有高的抗压强度和极低的抗拉、抗剪强度，结合摩尔库伦准则单轴抗压强度表达式。（式中：为内摩擦角；为黏聚力）可以发现，只需具体研究内摩擦角及粘聚力各自变化时的影响就行了。下面分别模拟研究内摩擦角、黏聚力、巷道高度变化对松动圈的影响。在模拟过程中，在此可以不考虑模型空间效应，故采用简化的二维模型来计算，以此减少计算量和计算时间。二维简化模型如图11所示：
6.1 内摩擦角对松动范围的影响
当巷道围岩较为破碎时，可以表现为围岩内摩擦角变小。内摩擦角在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角，在这个角度内，块体是稳定的：大于这个角度，块体就会产生滑动。具体到工程上，岩体内摩擦角很大程度上表征了岩体的完整性，是评价岩体强度的重要指标之一。在黏聚力一定时，内摩擦角越小，岩体强度越高，反之强度越低。
为了计算结果具有可比性，模型参数只改变摩擦角φ值，其他参数取值不变。分别对变化量为±2°、±4°、±8°进行模拟计算，从模拟计算结果上可知：松动区分布明显都随内摩擦角增大而减小，且都集中在两帮和底脚，并且巷道的竖向位移也随着内摩擦角的增大而减小。为进一步研究摩擦角变化与松动区厚度值变化的关系，将模拟结果用折线图表示如图12所示，顶板下沉与摩擦角关系如图13所示。
由折线图12、图13可知，同等条件下，岩体开挖后松动圈范围随岩体内摩擦角增大而减小，且摩擦角较小时，松动区范围随摩擦角增大而减小较为明显。即围岩完整性越好，巷道松动圈越小。这就需要我们在巷道掘进过程中能够充分地保护围岩的完整性，发挥其自承能力。巷道顶板下沉量也遵循此规律。
6.2 黏聚力对松动范围的影响
黏聚力原本是用于评价黏性土强度的一个重要指标，但显然天然的岩体也具有土体相类似的性质，岩体黏聚力的大小表征了构成岩体各矿物成分及各结构面的胶结强弱，因此黏聚力也通常作为岩体质量等级划分的一个重要指标被考虑。
在巷道不同区域，围岩质量也有差异，如对于巷道顶板而言，粉砂岩与细砂岩的黏聚力就有很大差异，其黏聚力对松动圈范围影响明显。
为了研究黏聚力C对松动圈厚度的影响，在不改变其他参数的情况下，对总体底层的黏聚力进行变化以对比研究。为此取C变化值为±0.5MPa、±1MPa、±1.5MPa进行模拟。从模拟结果中可以看出，随着黏聚力增大，巷道的松动区逐渐减小，同时巷道竖向位移也呈减小趋势。为进一步研究黏聚力变化与松动区厚度值变化的关系，将模拟结果用曲线图表示，如图14所示。
图14 内聚力变化对松动区
的影响 图15 内聚力变化对顶板沉降量的影响
由图15可以看出，同等条件下，岩体开挖后松动圈厚度随岩体黏聚力强度增大而减小。同时由于岩石强度的增高，顶板下沉量也同步减小。
6.3 巷道高度对松动范围的影响
为研究巷道高度对松动区的影响，在巷道跨度（5m）不变的情况下，分别改变巷道的高度为5m、4.5m、4m、3.5m，使其跨高比分别为1.0、1.11、1.25、1.43，以此对比分析巷道高度的影响。
从模拟计算中可知，在跨度不变的情况下，增大跨高比（即减小巷道高度）时，巷道松动区会逐渐减小，巷道顶板沉降也逐渐减少。
为了更形象地体现巷道高度对松动区分布的影响，根据模拟计算的数据绘出高跨比与松动区范围和顶板沉降量的关系图，如图16所示。
由图16可以看出，跨度不变时，减小巷道的高度，可以减少巷道松动区范围，同时减少巷道的竖向位移。
7 结语
（1）模拟得到，在现行支护条件下，巷道围岩松动范围大小为2.68m，基本上与实测结果相似。由于模拟过程参数选取条件存在的局限性，以数值模拟结果作参考，进行必要的现场监测，监测结果与数值模拟结果是必要的。模拟的巷道围岩松动范围与实测结果存在差异是客观的，经过适当的参数调整，再模拟分析得到的内摩擦角、黏聚力和巷道高度对巷道围岩松动范围的影响将使模拟分析更具有效性和可应用性。（2）在未支护条件下，巷道围岩松动圈明显增大，范围大小约为3.51m。可见现有支护措施是有效的，限制了松动圈的发展。（3）应力集中区松动圈明显较巷道松动圈大，其最大值约为3.4m，因此应对巷道拐角等应力集中区加强支护，保证安全。（4）巷道掘进过程中，由于工作面端部效应而受到影响的范围在15m以内，即当工作面推进到离巷道某测点断面大于15m时巷道的应力和位移状态已趋于稳定。（5）不同岩石性质的不同，内摩擦角值的影响：同等条件下，地下巷道开挖后形成的松动区的厚度值随摩擦角增大而减小，且摩擦角较小时，松动区厚度随摩擦角值增大而减小较为明显。（6）黏聚力强度c值的影响：同等条件下，巷道开挖后形成的松动区厚度值随黏聚力强度值增大而减小。屈服区以剪切屈服为主，拉伸屈服只发生在铜室壁很小范围内。（7）在巷道跨度不变的情况下，减小巷道高度，即增大跨高比，将会使巷道开挖的松动区厚度值减小。
（责任编辑：蒋建华）