厚煤層回采巷道開挖位置選擇數(shù)值模擬

郝為寧

(河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五環(huán)分公司， 河南鶴壁市 458000)

厚煤層回采巷道開挖位置選擇數(shù)值模擬

郝為寧

(河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五環(huán)分公司， 河南鶴壁市 458000)

利用數(shù)值模擬軟件，分析了厚煤層中巷道不同開挖位置時巷道圍巖的穩(wěn)定性。運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了三維數(shù)值計算模型，對沿頂板和底板掘進(jìn)巷道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。分析了巷道開挖后巷道圍巖的位移場、應(yīng)力場分布和圍巖塑性區(qū)分布。分析表明，在厚煤層的情況下，巷道布置在頂板的塑性區(qū)范圍小于在底板時的范圍，2種布置方式的應(yīng)力分布特征變化不大，沿底板掘進(jìn)時，幫部和頂板的垂直和水平位移都較大?？偟膩砜?，巷道布置在頂板優(yōu)于布置在底板。

厚煤層；巷道位置；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

厚煤層巷道的頂?shù)装寮皟蓭投驾^軟，使在掘進(jìn)和回采時巷道易發(fā)生片幫、冒頂，巷道圍巖整體變形量大，并且易受工程擾動的影響，嚴(yán)重影響工作面的安全高效生產(chǎn)[1-4]。受地質(zhì)條件的影響，往往采用不同的布置和支護(hù)方式。運輸平巷一般沿底板布置，回風(fēng)平巷一般沿頂板布置。對于巷道位置處于不同巖層中已經(jīng)有了一些研究，得到了一些規(guī)律和經(jīng)驗[5-8]，但對于厚煤層巷道沿頂板和底板掘進(jìn)這2種情況還少有分析。對厚煤層巷道來說，巷道布置位置不同其應(yīng)力的分布狀態(tài)和變形特征是不同的，選擇一個合適的巷道位置，對控制圍巖巷道變形十分重要。本文借助數(shù)值模擬軟件，分析了巷道在沿頂?shù)装?種不同位置時的應(yīng)力分布和位移變化特征。

1 工程概況

鶴煤五環(huán)分公司3303工作面位于五礦下山采區(qū)南翼，煤層底板標(biāo)高為－475～－480.7m。3303回風(fēng)平巷掘進(jìn)工作面的煤層為二疊系山西組二1煤層，巷道位置如圖1所示，平均煤厚為8.27m。煤層走向變化較大，煤層走向變化范圍5°～91°。煤層傾角16°～18°，平均傾角17°。遇斷層時煤層局部傾角變化較大。3303回風(fēng)平巷掘進(jìn)工作面南部為3301工作面采空區(qū)；東南部為F40－1斷層防水煤柱；西部為三水平延深軌道下山；北部為3303工作面實體煤。整體構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造。

2 數(shù)值模擬實驗

2.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

數(shù)值分析模型參數(shù)根據(jù)鶴壁煤業(yè)公司五環(huán)分公司回采巷道實際情況簡化后而得到。據(jù)鉆孔資料分析，局部有褶曲等構(gòu)造，總構(gòu)造變化不大，3303工作面?zhèn)雾敾静话l(fā)育，巷道頂?shù)装鍘r性分別為:偽頂炭質(zhì)泥巖、直接頂細(xì)粒砂巖、老頂中細(xì)粒砂巖、直接底砂巖和基本底灰?guī)r。

圖1 巷道位置和空間示意

數(shù)值模擬采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立模型比較復(fù)雜，故模型建立在ANSYS中進(jìn)行，然后導(dǎo)入到FLAC3D中進(jìn)行計算與分析。模擬的長×寬×高＝70m×60m×2m，采用摩爾－庫侖模型，應(yīng)變模式采用大應(yīng)變模式，模型邊界無水平位移，底部邊界為固定約束，巷道平均埋深為300m，頂部施加與埋深相對應(yīng)的壓應(yīng)力為8 MPa。數(shù)值計算和受力條件如圖2所示。巷道下幫和上幫高度分別為2500mm和3800mm，分別沿頂和沿底布置巷道進(jìn)行模擬。開挖前先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計算，然后開挖巷道。

2.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

巷道開挖以后在垂直應(yīng)力的作用下，應(yīng)力重新分布，巷道周邊將發(fā)生破壞，由此將會產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)分布如圖3所示。一般巷道兩幫的塑性區(qū)的范圍要大于頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)，并隨著時間的推移塑性區(qū)的范圍逐漸增大。由圖3可以看出，巷道沿底板布置時，頂板的塑性區(qū)范圍比沿頂板布置時的范圍大，主要原因是由于沿底板布置時，頂板為軟弱的煤層，強(qiáng)度低，巷道開挖后將會發(fā)生較大的變形。塑性區(qū)的最高邊界在底板掘進(jìn)時的范圍要比沿頂板掘進(jìn)的范圍大，其主要原因是頂煤破壞后不能對頂板提供支護(hù)力，進(jìn)而使得破壞范圍大，而沿頂板時支護(hù)結(jié)構(gòu)直接作用于頂板巖層施加支護(hù)力，使得沿頂板掘進(jìn)時塑性區(qū)范圍大。由塑性區(qū)的分布可以看出，沿頂板布置巷道時塑性區(qū)要小于沿底板布置巷道時的塑性區(qū)。沿頂板布置時，塑性區(qū)體積為94.6；沿底板掘進(jìn)時，塑性區(qū)體積為107.7。

2.3 巷道應(yīng)力分布特征

圖2 計算分析模型

圖3 塑性區(qū)分布

2種布置方式的垂直應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可以看出，2種布置方式的垂直應(yīng)力分布特征很相似，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在頂板、右?guī)秃偷装?，左幫角的?yīng)力集中較右?guī)徒堑募谐潭刃?，由于煤層傾角的原因，左角的應(yīng)力集中較右下角小。

2.4 巷道圍巖變形分布特征

圖4 垂直應(yīng)力分布圖

距巷道表面不同距離的圍巖水平、垂直位移分布如圖5和圖6所示。巷道沿頂板時，位移量最大出現(xiàn)在底板，最大底鼓量達(dá)到了83mm，且最大底鼓量發(fā)生在巷道底板中部，巷道頂板垂直位移最大達(dá)到17mm，由于巷道沿頂板掘進(jìn)，底板為軟弱煤層，頂板為堅硬巖層，使得底板變形量較大。沿底板掘進(jìn)時，最大位移量出現(xiàn)在頂板，頂板下沉量最大出現(xiàn)在巷道右上方，達(dá)到了83mm，底板最大位移量達(dá)到了53mm。巷道沿底板掘進(jìn)時，底板垂直位移量比沿頂板掘進(jìn)時的明顯要大，頂板位移反之。因此巷道沿底板掘進(jìn)時，應(yīng)當(dāng)重點支護(hù)頂板的煤體和兩幫的煤；巷道沿頂板掘進(jìn)時，重點支護(hù)底板。

圖5 垂直位移分布

圖6 水平位移分布

由圖6可以看出，巷道沿頂板掘進(jìn)時，左幫最大位移量為48mm，右?guī)妥畲笪灰茷?5mm；巷道沿底板掘進(jìn)時，兩幫最大位移都達(dá)到了77mm。巷道沿頂板掘進(jìn)時，水平位移量要小于沿底板掘進(jìn)時的水平位移量。

3 變形破壞特征分析

巷道的破壞過程受眾多因素的影響，巷道破壞過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。巷道開挖以后其應(yīng)力重新分布，如果支護(hù)體不能及時支護(hù)，控制圍巖的變形，圍巖自身狀況將會惡化，兩幫將由表面開始破壞并逐漸向巷道深部圍巖延伸，然后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道沿不同位置掘進(jìn)后，將會出現(xiàn)不同的破壞特征和形態(tài)，經(jīng)過一段時間巷道變形嚴(yán)重，必須進(jìn)行返修或加強(qiáng)支護(hù)，才能保證工作面正常的生產(chǎn)。

在厚煤層中沿頂板掘進(jìn)，巷道頂板為巖層，底板為實體煤，在這種情況下巷道的破壞特征主要是底鼓現(xiàn)象突出。大部分巷道底板不采取支護(hù)手段，使得沿頂板掘進(jìn)時底鼓現(xiàn)象更加嚴(yán)重。支護(hù)的重點是控制底鼓。

在厚煤層中沿底板掘進(jìn)時，底板為巖層，頂板為實體煤，巷道破壞特征主要是頂板易于冒落，特別是煤層特別厚時，頂板錨桿不能錨固到堅固巖層之中，使得錨桿支護(hù)范圍內(nèi)圍巖不能形成穩(wěn)固的錨固體，不能保證頂板的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

在選擇巷道掘進(jìn)位置時，應(yīng)當(dāng)考慮到巷道周邊的圍巖環(huán)境，在厚煤層中進(jìn)行開挖時，沿頂板底掘進(jìn)巷道時重點支護(hù)的對象是不同的。沿頂板掘進(jìn)時，重點控制底板的軟弱實體煤；沿底板掘進(jìn)時，重點控制的是頂板和兩幫。在厚煤層中選擇巷道掘進(jìn)位置時，優(yōu)選沿頂板掘進(jìn)，巷道圍巖位移和塑性區(qū)均較沿底板掘進(jìn)時小，巷道穩(wěn)定性較好。

[1]王巨光，趙忠理，陸明心，等.三軟煤層巷道持續(xù)變形控制技術(shù)[J].煤炭工程，2011，43(05):23-24.

[2]孫 建.沿煤層傾斜方向底板“三區(qū)”破壞特征分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2014，31(01):115-121.

[3]劉倡清，馮曉光.“三軟”厚煤層順槽支護(hù)技術(shù)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2012，32(01):40-44.

[4]李凱歌，丁書學(xué)，靖洪文，等.三軟煤層多次采動下巷道支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(09):4-9.

[5]張鳳杰，高召寧，孟祥瑞.“三軟”厚煤層頂?shù)装迤茐奶卣鞯臄?shù)值模擬[J].煤礦安全，2013，44(02):64－66.

[6]陳艦艇，張明建，郜進(jìn)海.三軟煤巷位置及支護(hù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究[J].中州煤炭，2011，16(07):17-19，84.

[7]蘇發(fā)強(qiáng).新義煤礦三軟煤層巷道圍巖穩(wěn)定與支護(hù)技術(shù)研究[D].焦作:河南理工大學(xué)，2011.

[8]孫 建.沿煤層傾斜方向底板“三區(qū)”破壞特征分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2014，31(1):115-121.?

[9]李桂臣，張 農(nóng)，王 成，等.高地應(yīng)力巷道斷面形狀優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39(05):652-658.

2015-06-25)

郝為寧(1987－)，河南輝縣人，男，漢族，助理工程師，主要從事礦山壓力及巷道支護(hù)方面工作，Email:haown1987＠163.com。