2-105工作面運(yùn)輸順槽圍巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律研究

沈 祥

（霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043302）

煤礦的開采改變了原巖地應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)，使得圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力密集區(qū)的高應(yīng)力會(huì)造成煤炭開采巷道的變形破壞，圍巖應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的分布規(guī)律研究對(duì)煤礦的安全開采至關(guān)重要[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)體系的發(fā)展與成熟，數(shù)值模擬軟件逐漸應(yīng)用于礦山數(shù)值分析中，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬，不僅可以定量分析覆巖應(yīng)力場(chǎng)[3]，而且極大地提高了計(jì)算效率與精度，將模擬計(jì)算結(jié)果反饋于生產(chǎn)實(shí)踐，可為煤礦的安全開采提供重要的理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

霍煤騰暉煤礦2-105工作面位于井田南部，開采煤層屬山西組2#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定，平均厚度為5.0m。巷道圍巖與頂板以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，基本頂為中粒砂巖，平均厚度 9.50m左右，鈣質(zhì)膠結(jié)，富集云母碎片；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度11.8m左右，水平層理，植物化石碎片富存；直接底為粉砂巖，厚度13.3m，呈深灰色，粉質(zhì)砂狀結(jié)構(gòu)，致密，性脆，含碳化面，中部夾有灰?guī)r薄層，厚度約0.1m；基本底為細(xì)粒砂巖，平均厚度4.1m左右，交錯(cuò)層理，鈣質(zhì)膠結(jié)。主要含水層為K8砂巖含水層裂隙水及奧陶系灰?guī)r水，其富水性弱且易于疏干，2-105工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)施工范圍內(nèi)煤層賦存條件較好，無(wú)影響掘進(jìn)施工的采空區(qū)與斷層構(gòu)造，不受采空區(qū)積水威脅。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

根據(jù)2-105工作面地質(zhì)柱狀圖與鉆孔勘探報(bào)告，對(duì)煤層附近各巖性取樣并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)定。實(shí)測(cè)各巖性巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

2.2 模型的建立

沿底板垂直走向建立巷道莫爾一庫(kù)侖本構(gòu)簡(jiǎn)化模型，其中，x、y軸分別代表巷道走向方向與法線延伸方向，模型的邊界設(shè)定為底部與左右兩側(cè)約束，上部自由，初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)，整個(gè)模型由28021個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和 23166個(gè)單元數(shù)構(gòu)成。巷道模型簡(jiǎn)化如圖1所示。

圖1 巷道簡(jiǎn)化模型圖

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取直接影響到試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，因此，對(duì)測(cè)點(diǎn)的擬定，不僅要滿足隨機(jī)性，還應(yīng)考慮到在工程實(shí)踐中對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的難度與可行性。鑒于以上各因素，擬在掘進(jìn)工作面前方頂板上，沿工作面掘進(jìn)方向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)作為試驗(yàn)對(duì)象。各測(cè)點(diǎn)在沿工作面掘進(jìn)的法線方向按隨機(jī)離散原則布置，相鄰測(cè)點(diǎn)的水平間距為30m。為便于試驗(yàn)的研究，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，各測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)分別為A（75，3.4，-322），B（105，2.1，-322），C（135，1.9，-322）（假定地面標(biāo)高為0）。在自重應(yīng)力的作用下，掘進(jìn)引起的應(yīng)力、位移變化量主要以沿x軸方向的水平位移與沿z軸方向的鉛直位移為主，故在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的x方向上與z方向上的位移變化量作為主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

3 模擬計(jì)算效果分析

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算內(nèi)容

為得出霍煤騰暉煤礦2-105運(yùn)輸順槽在不同開采進(jìn)度條件下圍巖應(yīng)力分布情況與位移的變化規(guī)律，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算：

（1）模擬、監(jiān)測(cè)各待測(cè)點(diǎn)在隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板位移下沉量，分別記錄當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)度為15m、30m、45m時(shí)頂板位移變形情況，并繪制位移變化折線圖，與實(shí)測(cè)位移進(jìn)行耦合，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性。

（2）模擬計(jì)算巷道在不同掘進(jìn)進(jìn)度下頂板主應(yīng)力的變化情況，生成在掘進(jìn)距離分別為15m、30m、45m時(shí)巷道圍巖及頂板的縱向應(yīng)力云圖，分析在不同掘進(jìn)進(jìn)度下巷道圍巖體的應(yīng)力變化趨勢(shì)與規(guī)律。

3.2 模擬數(shù)據(jù)處理與效果分析

（1）位移模擬結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，得出掘進(jìn)工作面各測(cè)點(diǎn)在沿z軸方向的鉛直位移變化如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)位移變化折線圖

由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向位移變化趨勢(shì)可知，頂板位移變化增量由高到低依次為測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)B、測(cè)點(diǎn)C。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的分布情況，可以得出，隨掘進(jìn)距離的增大，距離開切眼越遠(yuǎn)的頂板，其變形量與下沉量越小，而開切眼附近的巖體位移變形量較大，若沒(méi)有及時(shí)的支護(hù)，極易引起劇烈下沉的現(xiàn)象，施工時(shí)，應(yīng)做好頂板維護(hù)工作。

各測(cè)點(diǎn)位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見表2所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移與模擬位移對(duì)比表

由各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移與模擬位移的對(duì)照可知，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均誤差≤0.03cm，誤差較小，滿足試驗(yàn)要求，故認(rèn)為模擬結(jié)果符合實(shí)際情況，F(xiàn)LAC3D模擬軟件可用于掘進(jìn)巷道中位移與應(yīng)力變化規(guī)律的研究。

（2）應(yīng)力模擬結(jié)果分析

應(yīng)用FLAC3D軟件建立數(shù)值分析模型，分別計(jì)算掘進(jìn)工作面推進(jìn)15m、30m、45m時(shí)巷道圍巖及頂板的應(yīng)力變化?？v向應(yīng)力變化云圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 掘進(jìn)距離為15m時(shí)頂板縱向應(yīng)力云圖

圖4 掘進(jìn)距離為30m時(shí)頂板縱向應(yīng)力云圖

圖5 掘進(jìn)距離為45m時(shí)頂板縱向應(yīng)力云圖

由各縱向應(yīng)力云圖可知，運(yùn)輸順槽推進(jìn)至15m、30m、45m時(shí)，工作面巷道出現(xiàn)的最大主應(yīng)力分別為0.859MPa、0.635MPa和0.628MPa，巷道出現(xiàn)的最小主應(yīng)力分別為10.44kPa、16.56kPa和18.00kPa。當(dāng)工作面推進(jìn)至30m范圍區(qū)域時(shí)，巷道圍巖開始出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值為15.2MPa。隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，巷道圍巖壓力值也隨之增大，在工作面45m處，巷道圍巖壓力值達(dá)22.6MPa。

由數(shù)據(jù)分析可知，在運(yùn)輸順槽初始掘進(jìn)時(shí)，巷道主應(yīng)力最大，說(shuō)明在巷道初始掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)工作面受到上覆巖層的擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重，已掘進(jìn)區(qū)域承擔(dān)著絕大部分上覆煤巖體的重力。隨著掘進(jìn)工作的持續(xù)進(jìn)行，巷道最大主應(yīng)力逐漸遞減，巷道變形程度得到緩和，說(shuō)明隨巷道掘進(jìn)區(qū)域的增大，承擔(dān)上覆巖層重力的區(qū)域增加，減緩了“單區(qū)域”承重現(xiàn)象[4]。此外，在掘進(jìn)距離不斷增大的過(guò)程中，巷道壓應(yīng)力逐漸增大，此時(shí)，應(yīng)做好圍巖加固措施，防止煤巖壁片幫的出現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）將霍煤騰暉煤礦2-105運(yùn)輸順槽的位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與通過(guò)FLAC3D模擬計(jì)算的位移結(jié)果進(jìn)行耦合，二者位移平均誤差≤0.03cm，驗(yàn)證了FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)于研究掘進(jìn)巷道中位移與應(yīng)力變化規(guī)律的可行性。

（2）基于FLAC3D的數(shù)值模擬結(jié)果，可得出在巷道初始掘進(jìn)時(shí)，巷道主應(yīng)力最大，隨著掘進(jìn)工作的持續(xù)進(jìn)行，巷道最大主應(yīng)力逐漸遞減，巷道變形程度得到緩和。隨工作面掘進(jìn)距離的增加，巷道最大壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)至45m處時(shí)，圍巖壓力值可達(dá)22.6MPa，嚴(yán)重危害到巷道穩(wěn)定性，極易引起頂板破碎和煤壁片幫的情況，此時(shí)應(yīng)做好巷道圍巖加固工作。