0 引言
底抽巷在降低煤层瓦斯压力、改善矿井通风条件方面发挥着关键作用
[1-4]，但是随着煤炭资源开采深度不断增加，深部高地应力及强采动影响下的底抽巷围岩稳定性问题日益突出
[5]。因此，深入研究底抽巷在采动影响下的围岩破坏规律，对控制底抽巷的围岩稳定、保障煤矿安全高效开采具有重要意义。
目前，底抽巷的布置方式主要包括外错、内错及联合布置，高瓦斯矿井普遍以“外错为主、内错为辅”实现“一巷多用”
[6]。在围岩破坏机理研究方面，WEI等
[7]针对近距离开采条件，得出中部底抽巷围岩变形规律，发现采矿活动会诱导巷道中下部产生了非对称变形。林志斌等
[8]采用离散颗粒元软件PFC
3D以及物理模型试验，分析了巷道周边岩体的变形破裂时空演变规律与机理。MA等
[9]采用FLAC
3D软件模拟得到围岩的变形破坏规律，分析了影响围岩变形破坏的因素。贾后省等
[10]研究了巷道围岩应力环境演化特征及其作用下巷道围岩破坏规律，设计了有利于围岩塑性破坏分布收敛的非对称屋顶断面。
单一数值模拟方法在模拟围岩非连续破坏过程中存在明显不足，难以精确捕捉采动应力路径下围岩破坏的跨尺度演化机制
[11-12]。因此，部分学者引入连续-离散耦合方法开展相关研究。王昱博等
[13]采用离散元数值模拟结合室内物理实验的方法，证实连续-离散耦合分析方法可以准确模拟巷道和岩柱的破坏行为，并提供了实用性的分析结果。徐国文等
[14]基于离散元-有限差分耦合算法，模拟了隧道围岩破坏过程。李永兵等
[15]建立二维平面应变圆形巷道连续-离散耦合分析模型,从宏-细观角度深入研究不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制。目前，基于煤层回采情况下底抽巷的连续-离散耦合的跨尺度研究较少。传统有限元法虽然能够较好地模拟连续介质的应力应变行为，但在处理非连续破坏（如底抽巷围岩破坏过程中，裂纹的萌生、扩展和贯通）时难以准确捕捉围岩破坏的微观特征
[16]。离散元法能够很好地处理岩石的非连续破坏问题，但其计算成本高，且在模拟大范围连续介质时效率较低
[17]。连续-离散耦合方法可结合有限元法和离散元法的优点，有效模拟连续介质的应力应变行为，准确捕捉非连续破坏过程。
作者提出一种连续-离散耦合的跨尺度数值模拟方法，采用FLAC3D和PFC3D耦合建模，分析不同回采距离下底抽巷围岩颗粒力链数量与裂纹演化规律，并结合现场钻孔窥视数据进行验证，以期为煤矿回采过程中底抽巷的稳定性控制提供理论依据与技术支持。
1 底抽巷围岩破坏跨尺度数值模拟
1.1 工程地质概况
某煤矿29采区首采2901工作面，开采属二叠系下统山西组下部的三号煤层，煤层赋存条件稳定，煤厚变异较小，煤层结构较简单；煤层厚度为5.67～6.75 m，平均厚度为6.14 m。2901综采工作面全长274 m，配套的2901底抽巷道断面为矩形，尺寸为4.8 m×3.5 m（宽×高），平均埋深为460 m。岩层柱状图与巷道布置见
图1。
1.2 模型构建
在重点研究区域（如巷道周围）使用离散元法，在其他区域使用有限元法。FLAC
3D-PFC
3D耦合采用wall-zone耦合方式，在连续网格与颗粒交接的地方生成与zone单元契合的wall单元，由FLAC
3D求解得到的速度通过耦合边界传递至PFC
3D模型。PFC
3D模型得到响应更新后，通过耦合边界反作用于FLAC
3D模型，从而更新其力学响应。FLAC
3D-PFC
3D数据交换过程见
图2。
以某煤矿实际工程地质条件为基础建立数值模型，模型尺寸为608 m×200 m×71.45 m，共16层，包括7层顶板岩层、1层主采煤层及8层底板岩层。FLAC
3D采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）准则模拟各岩层本构模型，模型有限元宏观参数见
表1。离散元部分尺寸为15.5 m×200 m×14.5 m（
x×
y×
z），位于连续元（350～365.5 m、0～200 m、12.0～26.5 m）区域内。采用PFC
3D软件内置的三维平行黏结（linear parallel bond）接触模型，该模型适合模拟岩性本构模型。模型左、右及下边界为固定边界，顶部为自由边界。根据现场工作面地应力测试结果，数值模型所受初始水平应力和垂直应力分别为16.91 MPa、13.17 MPa。连续-离散耦合数值模型见
图3。
鉴于底抽巷主要位于泥岩层中，为简化计算，以泥岩的宏观力学参数为基准，运用试错法获取细观参数。依据各力学参数对模型结果的影响程度进行反复微调与优化，直至模型输出结果与实际工况相契合，最终确定的模型离散元微观参数见
表2。
为验证离散元微观参数选取的可靠性，并消除耦合边界的干扰，选取耦合区域中间位置的离散元范围作为监测区域。在工作面回采180 m时，截取模型在
y=150 m处的截面，监测区域离散元断面位移见
图4。监测结果表明，离散元与相邻连续元区域的位移变化一致，证明了参数选取有效，两者力学性质匹配良好。
2 底抽巷围岩颗粒力链数演化规律
2.1 底抽巷颗粒力链断裂数变化规律
煤层回采过程中，底抽巷受采动影响引起围岩应力变化，进而引发围岩的变形破坏。力链作为微观颗粒和宏观体系的桥梁，可直观反映颗粒间的力传递过程，从而指示回采对底抽巷围岩的破坏机制。模拟2901工作面0～200 m的回采过程，获取每回采20 m时微观颗粒力链数量变化和分布状态，见
图5。力链数变化可分为初始平稳阶段、快速衰减阶段、动态稳定阶段。初始平稳阶段（0～60 m）各监测面力链数较为稳定，表明围岩结构处于弹性平衡状态，尚未受到显著的采动影响。因不同截面颗粒数量存在细微差别，初始力链数分别为1 271、1 269和1 310。在快速衰减阶段（60～140 m），随着工作面推进，60 m处观测面力链数率先下降，100 m与140 m处观测面响应滞后，但呈现同步下降趋势。回采至140 m时，60 m、100 m和140 m处观测面力链数分别为920、1 124、1 129，表明采动影响自近场向远场传播。在动态稳定阶段（140～200 m），在工作面推进至200 m过程中，各监测面力链数下降趋势减缓，回采结束时60 m、100 m和140 m处观测面力链数分别降至868、970和986，较初始值分别下降31.71%、23.56%和24.73%，平均下降26.67%。表明采动结束后，覆岩系统逐步进入新的平衡状态，但近采空区岩体结构损伤更为严重，力链数基准更低。
上覆煤层回采条件下底抽巷道围岩力链数演化呈现明显的阶段性、空间性和时序性特征。距采空区越近，力链数变化越剧烈，稳定后基准值越低；随着采动推进，力链数响应自近场向远场传播，断裂高峰出现时间依次滞后，最终各监测面均趋于新的稳定平衡。
2.2 不同回采阶段底抽巷力链演化规律
上覆煤层回采过程中，底抽巷受采动影响岩体损伤累积颗粒间力链随之发生断裂。力链的断裂意味着该处的岩体达到了其强度极限，发生微破裂。单个力链断裂是一个微事件，但大量力链的断裂和聚集则标志着宏观裂隙的产生和扩展。底抽巷中心截面（
y=100 m）处离散元颗粒间力链见
图6。
在煤层未采动时，底抽巷附近力链分布均匀，岩层完整性较好，围岩处于弹性平衡状态。回采60 m时，与未开挖时相比无明显变化，仅有个别力链断裂。回采80 m时，巷道顶板首先发生力链断裂。回采100 m时，应力集中导致巷道顶板及左帮力链断裂明显加剧。回采120 m时，受底抽巷外错布置影响，断裂表现出空间差异性，远煤柱侧响应相对滞后。回采140 m时，持续的采动扰动使围岩损伤进一步累积，裂隙网络快速扩展，力链断裂向巷道四周延展。颗粒断裂数量显著增加。回采至160 m时，巷道四周可见较多的力链断裂。回采至180 m时，尽管回采工作面逐渐远离观测断面，但力链断裂仍在缓慢扩展，不过断裂幅度降低，表明围岩结构重组后达到新的力学平衡。此时回采即将结束，力链断裂最严重区域为巷道左帮及顶板。
3 底抽巷围岩裂纹及位移拓展规律
3.1 底抽巷围岩裂纹数量规律
受上覆煤层回采扰动，底抽巷围岩应力场重分布，引发巷道变形破坏，在PFC
3D离散元模型中，这一过程的实质是颗粒间黏结键的断裂。在底抽巷中心截面（
y=100 m）处，离散元颗粒裂纹数随回采推进的演化过程见
图7。
回采初期，围岩结构相对完整，未见明显裂纹。当回采距离推进至60 m，裂纹数增至16，主要集中于顶板与侧帮等应力集中区域，呈孤立的“点”状分布。当回采距离增至80 m和100 m时，裂纹数分别增至104和335，裂纹由点状逐渐扩展并相互连接，形成沿应力释放方向延伸的“线”型破裂路径，其中巷道顶部和左侧帮区域扩展尤为显著。当回采距离为120～180 m，裂纹扩展进一步加剧。随着裂纹密度和连通性不断提升，局部区域开始形成“面”状损伤区，顶板与左帮出现大范围贯通性破裂带，破坏性显著增强，裂纹网络进一步向底板与右帮扩展，围岩结构完整性受到严重破坏。该阶段裂纹演化最剧烈，呈现了采动影响下巷道围岩由微观黏结键断裂至宏观结构破坏的动态演化过程。
3.2 底抽巷围岩裂纹拓展规律
底抽巷中心截面（
y=100 m）处离散元颗粒在不同回采阶段的裂纹演化过程见
图8。在回采60 m时，裂纹主要出现在巷道顶板及底板1 m范围内，表明该阶段顶、底部为应力集中与裂纹萌生的优先区域。随着回采推进至80 m，裂纹进一步扩展至巷道两帮，整体分布于巷道周围1 m范围内，反映采动影响已向侧帮传递。回采至100 m时，裂纹在顶板4 m内显著聚集，表明围岩内部损伤加剧。回采至120 m时，巷道四周2 m内裂纹呈均匀分布，标志着裂纹已由微观损伤发展为宏观破坏。回采140 m后，裂纹持续向四周扩展，完成从微观断裂到宏观失稳的跨尺度演化过程。该演化规律揭示了采动作用下围岩裂纹的渐进性破坏机制。
3.3 底抽巷围岩位移规律
在PFC
3D离散元模型中，通过设置三维平行黏结接触模型（LPB）来模拟底抽巷围岩的力学行为。三维平行黏结接触模型是一种微观力学模型，能够有效模拟颗粒之间的黏结和断裂行为。随着回采推进，围岩应力重新分布，颗粒间黏结键受力增大。当应力超过黏结键强度时，键断裂，颗粒开始位移。通过分析颗粒位移的演化，可以深入了解围岩在采动影响下的变形和破坏机制。在底抽巷中心截面（
y=100 m）处，不同回采距离下离散元颗粒的位移见
图9。回采40 m时，底抽巷周围位移为0.16 m。当回采80 m时，底抽巷顶板、左帮的小部分区域的位移达到0.30 m。当回采推进120 m时，随着巷道围岩破坏的加剧，巷道顶板1 m范围内的位移量逐渐增加至0.35～0.40 m。当回采160 m时，顶板浅部位移量达到0.50 m，巷道左帮及右帮最大位移量分别达到0.37 m、0.26 m。表明底抽巷出现了顶板变形、片帮等现象，且巷道顶板及左帮的位移量明显大于其他位置，这一结果与现场的观测结果吻合。
3.4 底抽巷围岩裂隙分布现场验证
采用钻孔窥视方法对底抽巷顶板围岩破坏严重区域的裂隙发育深度及形态特征进行探测。在距开切眼150 m处的顶板中心位置垂直钻孔，孔深10 m，结果见
图10。根据窥视图像可将裂隙发育情况划分为3个典型区域：裂隙发育区域主要集中于顶板浅部约5 m范围内，可见大量贯通性纵向裂隙与环向裂隙相互交错，围岩破碎明显，该区域受上覆煤层回采扰动影响最为剧烈；细微裂隙萌生区域位于顶板5～9 m内，孔壁整体较为完整，可见清晰的双螺旋钻进轨迹，岩性相对稳定，局部有零散分布的微裂隙；煤岩交界区域靠近煤层底板，煤质较为松软但仍保持较好完整性，可清晰辨识钻进轨迹轮廓及煤岩分界位置，孔壁整体处于稳定状态。数值模拟和现场观测均显示裂纹演化具有阶段性和空间分布特征，裂纹从顶板和底板萌生，逐渐扩展至两帮，最终导致巷道的宏观破坏。说明在实际回采过程中，围岩的破坏并非单一的突发过程，而是一个渐进的、有规律可循的动态演化过程。裂纹的跨尺度演化规律对于理解和预测巷道围岩的破坏行为至关重要，为巷道支护设计和灾害预防提供了重要的理论依据。现场观测结果与数值模拟结果基本一致，验证了数值模拟方法的有效性，同时证明了现场观测方法的准确性。
4 结论
（1）采用FLAC3D-PFC3D耦合方法研究上覆煤层回采时底抽巷围岩破坏规律，发现颗粒接触力链数量演化呈三阶段特征：初始平稳阶段（0～60 m）围岩结构稳定；快速衰减阶段（60～140 m）采动影响向远场扩展；动态稳定阶段（140～200 m）力链数量趋于稳定，反映围岩损伤累积后达到新的平衡。
（2）底抽巷围岩裂纹演化呈“点-线-面”的跨尺度规律：初始阶段以“点”状裂纹萌生为主，集中于顶板与左帮；随采动推进，裂纹发展为“线”型破裂带，最终贯通形成“面”型破碎区。受外错布置影响，破坏呈明显非对称性，裂纹主要分布于左帮与顶板，右帮与底板破坏相对较轻。
（3）底抽巷顶板及左帮的位移显著大于其他位置。位移演化与裂纹扩展规律一致，均表现出渐进性特征，反映出围岩损伤逐步累积、裂纹渐次贯通的破坏过程，表明在采动影响下围岩变形与破坏之间存在紧密的联动发展关系。
（4）通过对现场底抽巷顶板围岩裂隙的发育情况进行钻孔窥视，将顶板裂隙发育区域划分为浅部0～5 m的裂隙发育区、5～9 m的细微裂隙萌生区以及9 m外的煤岩交界稳定区。数值模拟与现场观测结果的一致性，验证了模型的可靠性。
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