3 下分层开切眼围岩变形失稳研究3 Study on deformation instability of surrounding rock under Stratified open cut下分层开切眼围岩变形、失稳与破坏由以下两个方面因素影响：第一，由其围岩地质条件决定，下分层开切眼顶板为上分层工作面回采过后跨落的矸石重新压实、稳定、胶结而成的再生顶板，整体稳定性差，具有明显的非连续介质破裂体或块裂体的性质，下分层开切眼两帮煤体与顶板层面的黏结系数及内摩擦角小于一般回采巷道，而与底板层面的黏结系数及内摩擦角则基本相同，这是由于下分层开切眼顶板是破碎矸石，虽经过了压实、稳定、胶结过程，与原始地层沉积的粘结性相比，胶结状态仍比较差；第二，由其巷道工程应力赋存环境决定，下分层回采巷道围岩已经受到上分层回采巷道开挖、上分层回采及附近煤柱的影响，并引起应力的重新分布、部分区域应力集中，临近上分层工作面回采使下分层回采巷道周边应力条件更复杂，围岩更破碎，维护也更困难；第三，由其应力赋存环境决定，下分层开切眼围岩已经受到上分层回采巷道开挖、上分层回采及附近煤柱的影响，并引起应力的重新分布、部分区域应力集中，临近上分层工作面回采使下分层开切眼周边应力条件更复杂，围岩更破碎，维护也更困难。

3.1 下分层巷道掘进前围岩应力分布和变形特征(In Front of the Lower Slice Roadway the Stress Distribution and Deformation Characteristics)3.1.1 数值模拟方案本章采用FLAC3D建立数值计算分析模型，分析上分层回采巷道掘进与工作面回采对底板围岩应力分布和变形特征、下分层开切眼内错距离对巷道围岩应力特性和变形特征影响规律，从而研究下分层开切眼失稳的机理及破坏原因。

根据分析，注浆的目的即是为了加固顶板以及上覆岩层，所以我们通过改变上覆岩层的力学参数来模拟注浆深度对开切眼围岩稳定性的影响。

本文数值模拟分为四种情况，即下分层开切眼在未注浆，注浆1m 、2m 、3m 情况下的顶底板离层量、两帮移进量、屈服破坏情况和垂直应力分布的情况。

3.1.2 数值模拟模型的建立FLAC 3D 是FLAC 的三维扩展，它不仅包含了FLAC 所有的功能，并且在其基础上进一步开发，可用于求解有关深基坑、边坡、基础、坝体、隧道、地下采场以及洞室的应力分析，而且也可以用来进行动力分析，因此在国际岩土领域非常流行。

FLAC 3D 采用的“显式拉格朗日”算法和“混合—离散分区”技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动，由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维岩土工程问题。

由于采用了自动惯量和自动阻尼系数，克服了显式公式存在的小时间步长的限制以及阻尼问题。

所以，FLAC 3D 是一个求解三维岩土问题的最理想工具之一。

FLAC 3D 有良好的前处理功能，计算时程序自动将模型剖分成六面体单元，每个单元都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力场的作用下发生屈服流动，节点的位置也会随着模型的屈服流动而发生改变(大变形时)，因此，FLAC 3D 在模拟大变形问题上有其独到之处。

针对不同的材料，FLAC 3D 软件提供多达10种材料模型，能更真实地模拟实际材料的力学行为。

另外，FLAC 3D 可以模拟多种岩土工程地质不连续面，包括断层、节理等以及常见的多种支护形式，例如梁(beam)、锚杆(索)(cable)、桩(pile)、壳(shell)等。

本文需要模拟的内容是下分层开切眼顶板在未注浆，注浆1m 、2m 、3m 情况下的顶板离层量、两帮移进量、屈服破坏情况和垂直应力分布情况。

数值模拟中采用Mohr -Coulomb 屈服准则：131sin 21sin +=-+-s f ϕσσϕ （3-1）式中：1σ-最大主应力；3σ-最小主应力；c -内聚力；ϕ-内摩擦角。

该模型包含剪切和拉伸两个准则。

当0s f <时，材料将发生剪切破坏［57］。

针对永红煤矿3511工作面的生产地质条件，综合考虑各方面影响因素，将模型划分为9层，建立如图所示的FLAC3D模型（煤层倾角3～6°），为研究开切眼失稳的一般规律对模型进行简化：模型按0°建模，开切眼为宽×高=4m×3m的模型，数值模拟计算模型见图3-1所示，模型尺寸(长×宽×高)确定为：200m×1m×60m，网格单元12000个，模型节点数24522个。

模型顶边界为应力边界，底边界为垂直位移固定，左右边界水平位移固定。

煤层埋深300m，上边界施加应力7.5MPa，侧压系数为1。

模型中各岩层和煤层的岩体力学参数如表3-1所示。

图3-1 数值计算模型Figure3-1 Numerical calculation model表3-1 数值计算模型的岩体力学参数Table3-1 Rock mass mechanics parameters of numerical calculation model岩层岩层厚度h/m密度Kg/m3体积模量K/GPa剪切模量G/GPa摩擦角f/°粘结力C/MPa抗拉强度T/MPa上覆岩层222500 3.9 1.226204粉砂岩 4 2500 4.8 2.45242010细砂岩6 2550 5.8 3.0 29 20 10 砂质泥岩8 2450 4.2 2.0 24 16 8 3#煤6.25 1420 2.4 1.0 20 2.8 1.4 碳质泥岩6 1620 2.2 0.9 22 3.6 1.2 泥岩8 2300 2.6 1.0 23 4.5 1.8下覆 岩层 102500 3.9 1.2 26 20 43.1.3 上分层巷道掘进时围岩应力和变形特征按弹塑性理论，把煤岩体作为弹塑性体进行分析，巷道尺寸远小于均值煤岩体尺寸。

巷道围岩沿径向应力表达式[78]为：()()112121-⎡⎤-+=⎢⎥+⎣⎦c c p R r εεδδε （3-2）式中：c δ—理论上的单轴抗压强度理论值，MPa ，2cos 1sin =-c c φδφ； ε—理论上的单轴抗压强度的斜率，1sin 1sin +=-φεφ； c —内聚力，MPa ； φ—内摩擦角，°；p —初始应力，MPa ；R—塑性区半径，m。

从公式3-2可知：初始应力p，巷道半径为r以及自身岩体强度对塑性圈半径有影响。

δ为7.99实例计算：以永红煤矿初始应力7.5P MPa=为计算条件，φ为20°，c MPa，c为2.8MPa，巷道塑性区半径为2.39m。

巷道开挖影响巷道围岩应力状态、围岩位移场及塑性区分布，巷道围岩变形矢量图、塑性区分布图、垂直应力分布图分别见图3-。

从图3-（1）可以看出，掘进巷道引起周边及深部向巷道中央位移，使巷道周边围岩位移场重新分布，并且围岩位移是从浅部逐渐向深部位移的，表现为周边位移大，深部位移小。

即在围岩深部出现零位移点，从围岩表面到围岩深部（零位移点）表现为围岩的剪应力区域；围岩深部、围岩浅部与围岩表面之间的变形为依次升高。

由巷道垂直应力分布（图3-（2））特征来看，巷道围岩应力发生变化，应力集中区域由巷道围岩表面向围岩深部转移，最终表现为围岩表面出现应力降低而在围岩深部出现对称的应力集中核，也就是弹性压缩核。

巷道围岩浅部到深部围岩应力变化的过程即巷道变形破坏的过程，终态显现为两帮的围岩深部出现弹性压缩核，应力集中系数为1.33。

与围岩表面位移相反，表现为巷道浅部应力小，距离巷道两帮2m处，应力最大，为10MPa。

从图3-（3），沿巷道水平或竖直中心线方向，围岩塑性区呈对称分布；塑性区范围表现为底板塑性区大于顶板塑性区，两帮范围一致。

向底板深处影响为3.5m，而对两帮的影响为3.6m。

（1）位移矢量图（2）垂直应力图（3）塑性区分布图图3-2 上分层巷道开挖对围岩变化的影响理论分析和数值模拟计算表明：塑性圈半径不仅与岩体自身的强度有关，而且还受到初始应力p，巷道半径为r的影响（巷道宽度为3.5m，即理论计算影响范围为2.39m）。

而数值计算表明，对两帮的影响为3.6m，对底板影响为3.5m。

巷道开挖对围岩周围影响范围较小。

围岩深部变形与围岩浅部、围岩表面变形之间具有明显的相关性，围岩深部、围岩浅部与围岩表面之间的变形为依次升高。

而通过数值计算和理论分析，巷道开挖影响巷道围岩应力状态、围岩位移场及塑性区分布，并且两者在计算误差范围内相吻合；巷道围岩位移表现为浅部位移大，深部位移小；应力由浅部向围岩深部转移，垂直应力最终表现为浅部应力小，深部应力大；塑性区的破坏也是从表面、浅部到围岩深部依次发生变化，塑性区范围沿巷道水平或垂直方向对称分布，并且顶底板塑性区小于两帮塑性区。

3.1.4上分层工作面回采时底板应力分布特征图3-3 煤体与采空区交界处垂直应力等值线分布图Figure3-2 Coal mined-out area at the junction of the vertical stress contour maps 上分层30103工作面回采后，沿煤层倾向方向底板垂直应力场如3-3所示。

由图3-可知，煤体与采空区交界处的采空区下出现应力降低区，应力值为2MPa，远低于原岩应力；而在交界处的煤体下出现应力集中区，并且应力曲线呈现U型分布，距离采空区与煤体交界10m位置处，垂直应力高达20MPa，应力集中系数为2.67，明显高于只掘进巷道的应力集中系数。

结合上分层工作面底板应力分布情况，应将下分层开切眼布置在应力降低区域的的采空区下方，开切眼布置方向上即与上分层开切眼的内侧平行布置。

3.2 布置不同位置时下分层巷道围岩应力分布特征(The Lower Slice Roadway Layout Different Position Surrounding Rock Stability)影响下分层巷道稳定性的因素有：围岩地质条件，巷道工程赋存环境，巷道施工因素以及布置位置等，本节着重研究巷道的布置位置对巷道稳定性的影响。

3.2.1 下分层开切眼布置不同位置时围岩应力特性（1）平行上分层采空区内侧0m （2）平行上分层采空区内侧3m（3）平行上分层采空区内侧6m （4）平行上分层采空区内侧9m（5）平行上分层采空区内侧12m （6）平行上分层采空区内侧15m（7）平行上分层采空区内侧20m （8）平行上分层采空区内侧25m图3-4 下分层开切眼内错0~25m垂直应力分布图上分层煤体回采结束后，底板煤体垂直应力分布如图3-所示。

图中显示煤柱中央呈现应力集中，为“弹性压缩核”，垂直应力值均为36MPa，应力集中系数为4.8。