煤礦巷道底臌的模擬分析
——以高河煤礦為例

石建軍，高林生，馮吉成，彭 瑞，朱權(quán)潔

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北 三河，065201)

巷道的底臌變形是煤礦巷道支護中經(jīng)常遇到的問題，底板的臌起變形與破壞常常導(dǎo)致巷道支護困難、斷面縮小，增大了通風(fēng)的阻力，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致巷道整體報廢，嚴(yán)重威脅礦山的安全并影響生產(chǎn)。因此，研究回釆巷道的底臌機理并制定切實可行的治理措施是迫切需要攻克的難題。如何治理巷道底臌成為很多煤礦面臨的主要難題[1～9]。為此，筆者以高河煤礦為例，建立數(shù)值模型，探討造成煤礦巷道底臌機理、影響因素及解決辦法。高河煤礦E2305工作面回采過程中膠帶巷出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，巷道底臌量達1.2 m，導(dǎo)致巷道斷面不足，需要持續(xù)進行拉底才能保障巷道使用，影響了工作面推進進度，尤其是治理巷道底臌是亟待解決的問題。

圖1 高河煤礦E2305工作面布置示意圖

1 高河煤礦巷道情況

高河煤礦E2305工作面回采過程中膠帶巷道布置見圖1。工作面直接頂為5.13 m厚的泥巖，老頂為2.30 m厚的粗粒砂巖和1.42 m厚的中粒砂巖，直接底為3.79 m厚的粉砂巖和4.55 m厚的砂質(zhì)泥巖，老底為1.33 m厚的細粒砂巖。支護參數(shù)見圖2。

2 數(shù)值模型的建立

由于受到E2303 工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ淖饔?，煤柱幫在E2305 工作面回采時的受力將產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致應(yīng)力峰值和應(yīng)力峰值位置發(fā)生變化。為進一步確定E2305 工作面膠帶巷兩側(cè)應(yīng)力分布情況，建立FLAC3D數(shù)值模型，計算E2303 工作面和E2305 工作面回采過程中膠帶巷圍巖應(yīng)力的分布和峰值，為分析E2305 工作面巷道底臌原因提供參考[10，11]。

圖2 高河煤礦E2305支護斷面圖

模擬采用FLAC3D，選用摩爾—庫倫模型，并根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)暮喕?，建立的模型尺寸為長×寬×高=200 m×300 m×71 m，對模型下部和四周邊界進行約束，上部邊界為自由邊界，其施加的力等同于上覆巖層的質(zhì)量，則垂直應(yīng)力按深度467 m，容質(zhì)量25 kN/m3計算，得出為11.675 MPa，水平側(cè)壓系數(shù)為0.8。

模型的巖層分類及力學(xué)參數(shù)見表1，建立的模型見圖3。

表1 高河煤礦的巖石力學(xué)參數(shù)

圖3 高河煤礦巖層模型示意圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 煤柱幫應(yīng)力變化

根據(jù)建立的三維數(shù)值模型，模擬E2303 和E2305 工作面分別開采時煤柱的應(yīng)力和塑性區(qū)演化過程。模型x方向的長度為200 m，以x=90 m為觀測截面，模擬E2303開挖后，E2305 工作面分別推進20,40,60,80,100,120,140 m時E2305 工作面膠帶巷煤柱幫應(yīng)力分布情況。模擬方案見圖4。

圖4 高河煤礦E2303和E2305工作面模擬方案

E2305工作面在推進20，80，120 m的煤柱上方應(yīng)力分布情況和工作面上方水平切面應(yīng)力分布情況見圖5～圖7。分析可知，E2303工作面回采過后，E2305 工作面還未回采時，煤柱幫的應(yīng)力峰值在靠近E2303 工作面5.2 m位置，應(yīng)力峰值為33.2 MPa。隨著E2305工作面推進至60 m，煤柱幫的應(yīng)力開始由單峰分布向雙峰分布發(fā)展，E2305 膠帶巷側(cè)煤柱應(yīng)力峰值為26.5 MPa；在E2305工作面推進100 m后，煤柱幫的應(yīng)力演化為雙峰分布，煤柱核心區(qū)域存在一定寬度的彈性區(qū)，承載能力較強，E2305膠帶巷的應(yīng)力峰值為37.5 MPa，距離巷幫5.6 m。

圖5 高河煤礦E2305工作面推進20 m時煤柱幫應(yīng)力分布情況

圖6 高河煤礦E2305工作面推進80 m時煤柱幫應(yīng)力分布情況

圖7 高河煤礦E2305工作面推進120 m時煤柱幫應(yīng)力分布情況

3.2 工作面?zhèn)认飵蛻?yīng)力分布情況

為了分析工作面前方煤巖體受采動影響規(guī)律，根據(jù)上述數(shù)值模型，分析工作面前方煤巖體應(yīng)力分布特征，工作面前方部分距離處垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布見圖8～圖10。圖中巷道的左側(cè)為E2305工作面膠帶巷，右側(cè)為E2305工作面。左圖為垂直應(yīng)力分布，右圖為水平應(yīng)力分布。由垂直應(yīng)力的影響范圍和分布規(guī)律可知：E2305工作面采動影響下，工作面前方煤巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力大小隨著距回采工作面距離的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，垂直應(yīng)力的峰值點位置距離工作面20 m，最大垂直應(yīng)力達到28.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.52，圖中原巖應(yīng)力根據(jù)煤層的埋深450 m計算確定為11.25 MPa，垂直應(yīng)力在工作面前方的影響范圍在0～30 m之間；垂直應(yīng)力在右側(cè)的E2305工作面內(nèi)的側(cè)向影響范圍隨著距工作面距離的增加也呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，最大側(cè)向影響范圍達到約30 m，且發(fā)生在距離工作面20～30 m的范圍內(nèi)。

E2305工作面采動影響下，工作面前方煤巖體內(nèi)的水平應(yīng)力大小隨著距工作面距離的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，垂直應(yīng)力的峰值點位置距離煤壁8～35 m，最大垂直應(yīng)力達到28.5 MPa，原始水平應(yīng)力為9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)3.16，水平應(yīng)力在工作面前方的影響范圍在0～30 m之間，這也恰恰是底臌開始顯現(xiàn)的位置；水平應(yīng)力在右側(cè)實體煤內(nèi)的側(cè)向影響范圍隨著距工作面距離的增加也呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，最大影響高度達到大約30 m，且發(fā)生在距離工作面10～45 m的范圍內(nèi)。

根據(jù)數(shù)值模擬可以得出，巷道兩側(cè)的峰值應(yīng)力分別為28.4 MPa(E2305工作面?zhèn)?和37.5 MPa(煤柱側(cè))，應(yīng)力峰值均較高，巷道面臨著高垂直應(yīng)力作用。同時，受到兩個工作面的采動影響，巷道的水平應(yīng)力也處于一個較高的水平，水平應(yīng)力對底板巖層形成擠壓作用，造成底板巖層向臨空面(巷道)彎曲和破斷，導(dǎo)致巷道底臌嚴(yán)重。

圖8 高河煤礦E2305工作面前方10 m垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布

圖9 高河煤礦E2305工作面前方20 m垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布

圖10 高河煤礦E2305工作面前方40 m垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

E2305工作面膠帶巷的底臌出現(xiàn)在E2305工作面超前采動影響較為劇烈的區(qū)域，受垂直應(yīng)力的壓曲作用和水平應(yīng)力的擠壓作用，底板向巷內(nèi)臌起。經(jīng)過數(shù)值模擬分析得出造成高河礦E2305工作面膠帶巷底臌的主要原因有：

(1)隨著E2305工作面推進，煤柱幫的應(yīng)力開始由單峰分布向雙峰分布發(fā)展，煤柱核心區(qū)域存在一定寬度的彈性區(qū)，承載能力較強；E2305膠帶巷的應(yīng)力峰值為37.5 MPa，距離巷幫的距離為5.6 m。

(2)巷道兩側(cè)的峰值應(yīng)力分別為28.4 MPa(E2305工作面?zhèn)?和37.5 MPa(煤柱側(cè))，應(yīng)力峰值均較高，巷道面臨著高垂直應(yīng)力作用。同時，受到兩個工作面的采動影響，導(dǎo)致巷道底臌嚴(yán)重。