近距離下煤層巷道布置位置對應(yīng)力場影響模擬分析

毛 亮

(長治市煤炭安全信息調(diào)度中心，山西 長治 046000)

在煤礦生產(chǎn)中，巷道布置和維護(hù)一直都是相關(guān)學(xué)者關(guān)注和深入研究的課題，康紅普院士等[1-2]提出的整套巷道支護(hù)技術(shù)在常村煤礦得到驗(yàn)證，并在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用；何滿朝院士等[3-4]提出的負(fù)泊松比錨桿對巷道支護(hù)維護(hù)起到了劃時代的意義；趙志強(qiáng)等[5-6]提出的巷道破壞蝶形理論對巷道破壞圍巖失穩(wěn)的研究起到了豐富理論和實(shí)踐促進(jìn)作用；王志強(qiáng)等[7]對相鄰工作面巷道位置的不同錯距進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，最終根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定了合理錯距為2 m，并在現(xiàn)場應(yīng)用中得到了有效驗(yàn)證；秦忠誠等[8]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對非規(guī)整地質(zhì)采礦條件下的巷道布置位置進(jìn)行了分析，最終根據(jù)采場應(yīng)力變化規(guī)律確定了巷道布置的最佳位置；姚少武[9]分析了近距離煤層開采條件下，下煤層巷道的合理方位和巷道支護(hù)形式，確定了巷道的支護(hù)參數(shù)；尚奇[10]分析了采場應(yīng)力和支護(hù)形式對巷道應(yīng)力分布特征的影響，發(fā)現(xiàn)巷道采用分級支護(hù)對巷道的維護(hù)有較好效果；王玉懷等[11]采用理論分析和FLAC3D數(shù)值模擬的方法對煤礦近距離開采巷道圍巖變形規(guī)律和特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入重復(fù)采動影響區(qū)內(nèi)大約10～15 m巷道的變形量增大，下煤層巷道應(yīng)布置在煤柱邊緣水平距離16 m的采空區(qū)下；魏煒杰等[12]對急傾斜水平分段綜放開采的巷道布置采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)采放比是影響巷道變形和失穩(wěn)的主因，在開采過程中應(yīng)嚴(yán)格控制采放比；胡少軒等[13]對近距離煤層同采后的應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場實(shí)測，通過數(shù)據(jù)對比分析得出應(yīng)力環(huán)境的變化是一個活躍—趨穩(wěn)—活躍—趨穩(wěn)的充分變化過程，根據(jù)應(yīng)力環(huán)境變化的周期性規(guī)律可采用分段分期加強(qiáng)支護(hù)和合理安排采掘活動。

本文擬采用數(shù)值模擬的方法，對上煤層開采后下煤層回采巷道合理布置位置進(jìn)行分析，假定理想的煤層地質(zhì)采礦條件，假設(shè)上下煤層都是水平煤層，煤層間距為8 m。

1 力學(xué)模型的確定

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析中力學(xué)模型和模擬軟件的選擇是整個模擬試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，在選擇力學(xué)模型時首先必須考慮模擬的目的、模擬工程材料和模擬的力學(xué)環(huán)境。本次模擬的是礦山離散體，應(yīng)力環(huán)境屬于均勻連續(xù)應(yīng)力場，對比眾多模擬軟件的特點(diǎn)和優(yōu)勢，最終確定選擇FLAC3D數(shù)值模擬軟件。FLAC3D模擬軟件是美國的ITASCA公司開發(fā)的，軟件具有多種數(shù)學(xué)和力學(xué)模型可供選擇，而且為研發(fā)人員提供了可嵌入的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)算法接口，方便使用和豐富開發(fā)。其中包括的數(shù)學(xué)經(jīng)典模型有：Mohr-coulomb、拉格朗日、西里斯迪、庫彼汐；包括的彈性力學(xué)模型有：各向同性、橫觀各向異性和正交各向異性等；非線性模型有：Drucker-Prager、Mohr-Coulomb、應(yīng)變硬化及應(yīng)變軟化、節(jié)理化、雙線性應(yīng)變硬化/軟化節(jié)理化、雙屈服、修正的 Cam-clay模型。本計算模型按照平面應(yīng)變問題處理，計算中材料本構(gòu)關(guān)系采用考慮塑性流動特性的Mohr-coulomb模型，同時假定各巖層巖性均勻且各向同性。

2 數(shù)值模型的建立

未消除邊界效應(yīng)的影響，在模型的下邊界和水平垂直邊界都留有20 m的緩沖區(qū)，建立模型尺寸為180 m×100 m，模型總單元數(shù)為192 341個，根據(jù)模擬不同位置的精度要求劃分成小模型尺寸，模型共劃分了11個小模型，保證模擬結(jié)果的精度。建立的數(shù)值模擬模型如圖1所示。模擬過程中，在模型上邊界施加由上覆巖層自重引起垂直應(yīng)力為q=γH=7 MPa，水平的應(yīng)力系數(shù)取值根據(jù)埋深進(jìn)行梯度取值，總體取值水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的1.15倍。模型中共布置兩層煤，上煤層(1煤)與下煤層(2煤)，煤層間距設(shè)置為8 m。

圖1 數(shù)值模擬原始模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 垂直應(yīng)力分析

對上煤層開采后，在距煤柱中心線分別為0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m和35 m處開挖下煤層回采巷道的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，垂直應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可得：

1) 上煤層開采后，采場的垂直應(yīng)力集中區(qū)域存在于煤柱及煤柱下方，因此在煤柱下方開掘巷道時，巷道處于較高的垂直應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.9；在煤柱邊緣(即距離煤柱中心線10 m)開掘巷道時，巷道右?guī)鸵盐挥诓煽諈^(qū)下方的垂直應(yīng)力降低區(qū)域，垂直應(yīng)力顯著降低，左幫應(yīng)力集中程度也有一定的降低；在距離煤柱中心線大于等于15 m開掘巷道時，巷道完全位于采空區(qū)下方，巷道兩幫垂直應(yīng)力都處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，兩幫最大垂直應(yīng)力為6 MPa左右，明顯低于原巖應(yīng)力值。

2) 由于煤柱的支撐作用，煤柱兩側(cè)采空區(qū)頂板不能完全下沉冒落，采空區(qū)一側(cè)存在懸空區(qū)域，下煤層垂直應(yīng)力很小，當(dāng)繼續(xù)靠近采空區(qū)中心時，上煤層采場頂板下沉將壓力傳遞到底板，下煤層垂直應(yīng)力開始上升，在距離煤柱中心線35 m左右的地方，巷道兩幫垂直應(yīng)力開始上升。

圖2 巷道距離煤柱中心線不同位置時圍巖垂直應(yīng)力云圖

3.2 水平應(yīng)力分析

距煤柱中心線不同位置處開挖下煤層回采巷道的圍巖水平應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖3可得：下煤層水平應(yīng)力增高區(qū)域位于煤柱下方及頂板已經(jīng)壓實(shí)的采空區(qū)下方，當(dāng)在下煤層中布置巷道，距離煤柱中心線5 m以內(nèi)時，巷道完全處于水平應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)巷道距離煤柱中心線10 m和15 m時，巷道左幫處于應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)巷道布置在距離煤柱中心線15 m以后時，巷道處于水平應(yīng)力降低區(qū)域。

4 結(jié) 語

1) 層間距為8 m時，從垂直應(yīng)力的角度考慮，下煤層回采巷道應(yīng)盡量避免布置在垂直壓力集中較嚴(yán)重的煤柱下方，而應(yīng)盡量布置在老頂懸空的靠近煤柱的采空區(qū)下方，即距離煤柱中心線15～30 m的位置。

2) 層間距為8 m時，從水平應(yīng)力的角度考慮，要將巷道布置在距離煤柱中心線15 m以外。

綜合垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力對下煤層巷道布置的影響，可以得到巷道布置位置在距離中心線15～30 m之間比較合理。

圖3 巷道距離煤柱中心線不同位置處圍巖水平應(yīng)力云圖