沿空留巷圍巖應(yīng)力分布的數(shù)值模擬

武少鵬

(潞安集團 生產(chǎn)處，山西 長治 046204)

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的增大和開采深度的增加，礦井地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件日趨復雜，造成煤炭資源回收率降低、維護頂板和治理瓦斯的工程及成本成倍增加、礦井采掘銜接緊張等一系列問題。近年來，許多煤礦積極引進沿空留巷技術(shù)，對提高煤炭資源回收率、緩解采掘銜接、延長礦井服務(wù)年限有積極的現(xiàn)實意義，同時也為采掘工作面頂板維護和瓦斯治理提供了技術(shù)支撐[1-5]。本文以李村煤礦2302工作面為例，運用數(shù)值模擬軟件對沿空留巷圍巖應(yīng)力進行計算分析，為合理確定巷旁墻體寬度提供理論依據(jù)。

1 工程概況

李村煤礦是潞安集團的一座現(xiàn)代化大型礦井，生產(chǎn)能力為300萬t/a，屬高瓦斯礦井。依據(jù)礦井采掘銜接計劃和沿空留巷的實施要求，2302工作面和2303工作面采用聯(lián)合布置，對2302工作面輔助進風巷進行沿空留巷，保留下來的巷道作為2303工作面的進風巷。2302工作面采用“兩進一回”的Y型通風系統(tǒng)，其運輸巷和輔助進風巷進風，回風巷采用2302工作面回風巷和以“沿空留巷”方式保留下來的2302工作面輔助巷。2302和2303工作面布置方式見圖1。

圖1 2302和2303工作面布置

2 沿空留巷圍巖應(yīng)力分布的數(shù)值模擬

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

2302工作面采用一次采全高綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板；工作面長度為285 m，推進長度為730 m。開采煤層為沁水煤田3號煤層，平均厚度為4.6 m；頂板巖石類別為粉砂巖(硬度5～7、厚度4.5 m)，炭質(zhì)泥巖(硬度1～3、厚度0.25 m)，砂質(zhì)泥巖(硬度1～3、厚度0.9 m)，細粒砂巖(硬度5～7、厚度4 m)；底板巖石類別為炭質(zhì)泥巖(硬度2～5、厚度1.4～1.9 m)、砂質(zhì)泥巖(厚度0.80 m)。

2.2 模型建立

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型，以2302工作面的地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù)為依據(jù)，確定模型尺寸為400 m×800 m×150 m，如圖2所示。計算模型本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖準則，位移邊界約束，四周設(shè)置為鉸支，底部設(shè)置為固支，上部為自由邊界。并施加上覆巖層自重荷載11.25 MPa，水平施加漸變荷載，應(yīng)力梯度為0.025 MPa/m。

巷旁墻體寬度是沿空留巷的重要參數(shù)，本次模擬建立5個計算模型，對應(yīng)的巷旁支護墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m，分別模擬不同巷旁墻體寬度條件下巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。

圖2 沿空留巷計算模型

2.3 模擬結(jié)果分析

1) 垂直應(yīng)力分布規(guī)律。不同巷旁墻體寬度條件下巷道垂直應(yīng)力分布云圖如圖3所示，巷道兩幫內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

由圖3可以看出：不同寬度的巷旁墻體，沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布基本一致，即頂、底板圍巖應(yīng)力呈“半橢圓”分布，由圍巖淺部至深部逐漸增長；實體煤幫內(nèi)的垂直應(yīng)力在圍巖淺部呈“近線性”關(guān)系增長至峰值，而后在圍巖深部呈“負指數(shù)”關(guān)系減??；巷旁墻體內(nèi)的垂直應(yīng)力由淺部至深部先增大后減小。

由圖4可以看出，巷旁墻體寬度由1.2 m增加至2.0 m過程中，底板內(nèi)應(yīng)力分布基本無變化；頂板左上側(cè)和右上側(cè)應(yīng)力呈增加趨勢，且頂板與采空區(qū)連接處的應(yīng)力逐步降低；墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m時，實體煤幫內(nèi)對應(yīng)的應(yīng)力峰值為32.58 MPa、32.68 MPa、33.68 MPa、33.04 MPa和32.76 MPa，垂直應(yīng)力集中區(qū)距煤幫表面3.5～5.0 m；巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈“拋物線”型下降趨勢，應(yīng)力分布得到明顯改善，應(yīng)力峰值位于巷旁墻體的中部或右側(cè)角。

圖4 不同巷旁支護墻體寬度時沿空留巷兩幫內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線

通過對不同墻體寬度沿空留巷兩幫垂直應(yīng)力峰值進行統(tǒng)計分析，沿空留巷兩幫垂直應(yīng)力峰值變化曲線如圖5所示。

圖5 不同巷旁墻體寬度時沿空留巷兩幫垂直應(yīng)力峰值變化曲線

由圖5可知，實體煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值較穩(wěn)定，且垂直應(yīng)力峰值距煤幫表面距離基本一致。巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈“拋物線”形減??；巷旁墻體寬度為1.2 m時，墻體內(nèi)垂直應(yīng)力增長最快，且應(yīng)力峰值也最大；隨著墻體寬度的增大，應(yīng)力峰值逐步減小并趨于穩(wěn)定。

2) 巷旁墻體內(nèi)的應(yīng)力演變規(guī)律。隨著工作面推進，采場礦壓顯現(xiàn)處于動態(tài)變化過程，導致巷旁墻體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)隨著在采場中空間位置的變化而不斷變化，通過模擬得到巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力演變規(guī)律，如圖6所示。

由圖6得出，巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力演變過程分為4個區(qū)：上升區(qū)、峰值區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。上升區(qū)從工作面開始直至達到應(yīng)力峰值，上升區(qū)寬度約36 m；峰值區(qū)為巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值區(qū)域，其寬度約100 m；過渡區(qū)的垂直應(yīng)力呈線性遞減，其寬度約46 m；采場巖層運移趨于穩(wěn)定后，巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力逐步穩(wěn)定，該區(qū)域垂直應(yīng)力穩(wěn)定，滯后工作面182 m。

圖6 沿工作面推進方向巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 語

1) 通過對沿空留巷巷旁垂直應(yīng)力統(tǒng)計分析得出：不同巷旁墻體寬度，沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布基本一致。隨著巷旁墻體寬度的增大，底板內(nèi)應(yīng)力分布基本無變化；頂板左上側(cè)和右上側(cè)應(yīng)力呈增加趨勢，且留巷頂板與采空區(qū)連接處的應(yīng)力逐步降低；實體煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值較穩(wěn)定；巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈“拋物線”型下降趨勢?；谘乜樟粝飮鷰r垂直應(yīng)力分布狀態(tài)和巷旁墻體實施的經(jīng)濟合理性，本工作面巷旁墻體的寬度設(shè)置為1.6 m比較合理；同時為其他類似工作面沿空留巷確定巷旁墻體寬度提供了參考。

2) 通過對沿空留巷巷旁墻體內(nèi)的應(yīng)力演變過程分析得出：巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力演變過程分為上升區(qū)、峰值區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，為工作面推進過程中，沿空留巷不同區(qū)域的臨時補強支護措施提供了依據(jù)。