下層煤回采巷道的受力數(shù)值模擬研究

李俊星

（太原煤氣化集團(tuán)有限公司煤焦事業(yè)管理部，山西 太原 030006）

1 地質(zhì)力學(xué)條件

1.1 煤巖層條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視、實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)參數(shù)測(cè)定，結(jié)合礦方提供的綜合柱狀圖，得到爐峪口煤礦9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。該區(qū)域內(nèi)9號(hào)煤厚度為0.77～1.64m，頂板為砂質(zhì)泥巖和砂巖，底板為泥巖和粉砂巖。

1.2 地應(yīng)力條件

所研究區(qū)域9號(hào)煤層賦存比較穩(wěn)定，為近水平煤層，煤層埋深為250～300m，東西方向分布有斷層，9號(hào)煤上覆8號(hào)煤層已經(jīng)采空。受井田內(nèi)斷層影響，8號(hào)煤層工作面位置、工作面長(zhǎng)度及工作面之間區(qū)段煤柱寬度均為不規(guī)則布置，8號(hào)煤工作面之間區(qū)段煤柱寬度為12～20m。9號(hào)煤工作面回采巷道上方可能為8號(hào)煤采空區(qū)、區(qū)段煤柱和未開(kāi)采的8號(hào)煤實(shí)體煤。本區(qū)屬地壓正常區(qū)，不存在沖擊地壓危害。考慮老采空區(qū)的影響，計(jì)算時(shí)水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1.2倍。

表1 9號(hào)煤層及頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

1.3 開(kāi)采條件

該區(qū)域9號(hào)煤層平均厚度取1.5m，工作面采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面運(yùn)輸順槽和軌道順槽均沿9號(hào)煤頂板布置，矩形斷面，掘進(jìn)斷面尺寸為4.0×2.7m，開(kāi)切眼掘進(jìn)斷面尺寸為5.7×2.2m。受地質(zhì)條件影響，工作面順槽受相鄰工作面的采動(dòng)影響較小，9號(hào)煤工作面長(zhǎng)度變化較大，工作面長(zhǎng)度為170～200m，工作面之間區(qū)段煤柱為15m。

2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值分析軟件FLAC3D是基于拉格拉日差分方法的顯示有限差分計(jì)算程序，能很好地模擬各種地質(zhì)材料在達(dá)到屈服或強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生的塑性流動(dòng)的力學(xué)行為或彈塑性破壞，分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)，特別適用于模擬地下巷道以及硐室的開(kāi)挖和圍巖的屈服破壞以及受力情況的模擬計(jì)算[1-5]。本次研究運(yùn)用該數(shù)值分析軟件完成分析在不同支護(hù)方案下，掘進(jìn)階段及工作面回采階段的巷道圍巖受力及變形位移情況的計(jì)算。

2.1 模擬方案

由前面分析可知，9號(hào)煤層回采巷道沿煤層頂板布置，矩形斷面，運(yùn)輸順槽及軌道順槽的斷面尺寸及支護(hù)參數(shù)相同，掘進(jìn)斷面尺寸為4.0m×2.7m，工作面開(kāi)切眼掘進(jìn)斷面尺寸為5.7m×2.2m。

根據(jù)工作面的實(shí)際開(kāi)采條件以及建模的要求，設(shè)置模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=300m×300m×70m。模型四個(gè)側(cè)面為水平固定邊界，底部為固定邊界，模型共劃分434160個(gè)單元，452925個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型模擬9號(hào)煤層厚1.5m。模擬時(shí)煤層埋藏深度按最大埋深考慮，取300m。上覆巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。

2.2 模擬過(guò)程

在已經(jīng)賦值平衡模型的基礎(chǔ)上，首先對(duì)8號(hào)煤層進(jìn)行回采開(kāi)挖，并計(jì)算平衡。之后進(jìn)行開(kāi)挖9號(hào)煤工作面順槽，開(kāi)挖的同時(shí)按照設(shè)計(jì)方案對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，計(jì)算運(yùn)行到收斂。然后進(jìn)行9號(hào)煤層工作面回采，工作面回采分步進(jìn)行，每開(kāi)挖5m，模擬運(yùn)算2000步并保存模型文件，依次循環(huán)直至工作面推進(jìn)完成。最后分析在不同支護(hù)方案下，掘進(jìn)階段及工作面回采階段的巷道圍巖受力及變形位移情況。

3 模擬結(jié)果及其分析

3.1 8號(hào)煤采空區(qū)及煤柱下順槽支護(hù)效果

圖1所示為順槽不支護(hù)時(shí)的巷道圍巖的塑性區(qū)、應(yīng)力分布、位移分布的狀態(tài)圖?？梢钥闯?，工作面順槽不支護(hù)時(shí)，工作面順槽兩幫的塑性破壞深度為1.0m，頂板破壞相對(duì)較少，破壞深度為0.5m。巷道垂直應(yīng)力集中于巷道兩幫的煤體內(nèi)及巷道兩幫的底角，最大垂直應(yīng)力為11MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.47。巷道兩幫移近量為39.5mm，頂板下沉量為12.9mm，底板鼓起量為5.0mm，頂?shù)装逡平繛?7.9mm。整體來(lái)說(shuō)，工作面順槽無(wú)支護(hù)時(shí)，巷道破壞主要體現(xiàn)在巷幫，巷幫破壞深度為1.0m，兩幫的位移量為39.5mm，幫部變形破壞比較嚴(yán)重，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)巷道兩幫的支護(hù)。

圖1 巷道圍巖支護(hù)狀態(tài)（無(wú)支護(hù)）

3.2 巷道掘進(jìn)影響時(shí)期

圖2所示為8號(hào)煤不同賦存狀態(tài)時(shí)，9號(hào)煤回采巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。8號(hào)煤未開(kāi)采時(shí)，9號(hào)煤回采巷道垂直應(yīng)力集中于巷道兩幫的煤體內(nèi)及幫部的底角，最大垂直應(yīng)力為12.6MPa。由圖2（b）可知，對(duì)于8號(hào)煤采空區(qū)，8號(hào)煤開(kāi)采之后，其采空區(qū)原巖應(yīng)力重新分布，8號(hào)煤底板及9號(hào)煤頂板應(yīng)力得到一定程度的釋放，有利于9號(hào)煤回采巷道的布置。由圖2（c）可知，對(duì)于8號(hào)煤層區(qū)段煤柱，8號(hào)煤采空之后，其上覆巖層的壓力降集中于區(qū)段煤柱，其應(yīng)力通過(guò)8號(hào)煤層底板傳遞到9號(hào)煤層頂板，9號(hào)煤層巷道進(jìn)出8號(hào)煤層區(qū)段煤柱時(shí)，9號(hào)煤巷道圍巖應(yīng)力將有所增加，不利于9號(hào)煤層的巷道支護(hù)。

圖2 不同位置時(shí)9號(hào)煤巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)

4 結(jié)論

對(duì)于8號(hào)煤層區(qū)段煤柱及采空區(qū)，巷道位于區(qū)段煤柱下方時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力有所增加，巷道圍巖破壞范圍較采空區(qū)下方的大，巷道掘進(jìn)遇到8號(hào)煤層區(qū)段煤柱時(shí)，在進(jìn)出煤柱及煤柱下方時(shí)，應(yīng)特別注意巷道圍巖的破壞情況，尤其是巷道幫部的破壞情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況必要時(shí)采用加強(qiáng)支護(hù)措施。