不同應(yīng)力作用下巷道圍巖變形的數(shù)值模擬分析

申 強(qiáng)

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 晉城有限公司，山西 晉城 046031)

隨著煤炭科技水平的不斷發(fā)展，采煤生產(chǎn)的裝備水平得到了快速提高，大噸位綜采支架、電控液壓支架等先進(jìn)支護(hù)裝備得到了廣泛應(yīng)用，巷道斷面、交岔點(diǎn)跨度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這為巷道錨固支護(hù)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。而綜采工作面巷道服務(wù)年限較短，根據(jù)其所在煤層賦存特征、圍巖特性、功能、構(gòu)造等因素影響，如何在確保安全的前提下，根據(jù)采動(dòng)影響下巷道圍巖發(fā)生的應(yīng)力變化，分段落優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)局部巷道圍巖穩(wěn)定段合理擴(kuò)大支護(hù)間排距，從而提高掘進(jìn)速度、降低巷道支護(hù)成本，已成為一個(gè)新的課題。本文以首陽(yáng)煤業(yè)15203工作面為例，對(duì)不同應(yīng)力條件下，巷道圍巖發(fā)生的變形進(jìn)行模擬分析，旨在為分段落優(yōu)化支護(hù)提供理論支撐。

1 工作面概況

首陽(yáng)煤業(yè)是山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)兼并重組整合礦井，井田面積14.996 km2，批準(zhǔn)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，主采山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量1.41 m3/min，屬低瓦斯礦井。15203工作面位于首陽(yáng)煤業(yè)礦井二采區(qū)，工作面東部為采區(qū)邊界，西部為15202工作面實(shí)體煤，見(jiàn)圖1。工作面主采15號(hào)煤層，煤層均厚4.4 m，煤層傾角2～8°。根據(jù)相鄰工作面采掘過(guò)程中揭露情況推測(cè)，工作面西巷道掘進(jìn)100 m可能揭露F18斷層延伸段，掘進(jìn)至615 m，可能揭露F23斷層延伸段，因物探、鉆探工作及現(xiàn)有技術(shù)手段的局限性，推測(cè)巷道前方可能存在陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造或其他異常情況，無(wú)巖漿活動(dòng)，地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖1 15203工作面布置示意

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

通過(guò)對(duì)礦井已采15101、15102、15103和15104工作面礦壓規(guī)律初步研究與總結(jié)，以及對(duì)15202工作面回采期間兩巷道掘進(jìn)支護(hù)情況進(jìn)行分析，認(rèn)定巷道開(kāi)掘期間的二次應(yīng)力分布和變化主要影響因素為埋深和留設(shè)煤柱寬度，次要影響因素為頂板巖性、地質(zhì)構(gòu)造(陷落柱、斷層等)。此外，經(jīng)過(guò)模擬及已采工作面煤柱留設(shè)論證及實(shí)踐，15203工作面煤柱寬度確定為15 m。因此，本文采用FLAC3D模擬軟件，在不同埋深以及對(duì)應(yīng)不同構(gòu)造應(yīng)力條件下，對(duì)工作面巷道開(kāi)掘期間的應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬探討。

根據(jù)15203工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件構(gòu)建數(shù)值模型，模型結(jié)構(gòu)為：X方向長(zhǎng)180 m、Y方向長(zhǎng)200 m、Z方向長(zhǎng)74.4 m，設(shè)定方向上側(cè)壓系數(shù)同為1.2，除上部邊界外其余邊界固支，即：前后、左右邊界橫向位移及速度為零，底部邊界豎向位移及速度為零，重力加速度為9.81 m/s2，見(jiàn)圖2。模型具體設(shè)計(jì)如下：①煤層頂板巖層厚度50 m，煤層厚度4.4 m，煤層底板20 m，模型高度(Z方向)共計(jì)74.4 m；②設(shè)計(jì)工作面推進(jìn)160 m，兩側(cè)各留設(shè)20 m實(shí)體煤，共計(jì)推進(jìn)方向(Y方向)為200 m；③擬定模擬相鄰15202工作面回采及本工作面回采對(duì)巷道圍巖變形影響，設(shè)定X方向?yàn)?80 m。

圖2 15203工作面數(shù)值計(jì)算模型

3 模擬結(jié)果分析

首先計(jì)算模型初始應(yīng)力場(chǎng)至平衡，即依次開(kāi)挖15202工作面進(jìn)風(fēng)巷道和15203工作面西巷道，開(kāi)挖后立即進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，待應(yīng)力平衡后，讀取相應(yīng)的巷道圍巖位移量，作為反映采動(dòng)影響前圍巖穩(wěn)定性的參考指標(biāo)。然后依次模擬相鄰工作面開(kāi)挖、本工作面開(kāi)挖對(duì)不同埋深、以及對(duì)應(yīng)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.1 巷道埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

根據(jù)鉆孔資料和礦井地質(zhì)報(bào)告，井田范圍內(nèi)15號(hào)煤層的賦存深度為60～300 m，本文中數(shù)值模擬按100 m、150 m、200 m、250 m和300 m不同巷道埋深情況進(jìn)行考慮。采動(dòng)影響前，巷道穩(wěn)定性參考指標(biāo)為：300 m埋深，巷道的頂?shù)装逡平繛?.61 mm、兩幫移近量為11.17 mm。通過(guò)數(shù)值模擬，不同埋深情況下巷道圍巖變形量，見(jiàn)圖3和圖4。由模擬結(jié)果可知：

圖3 不同埋深條件下巷道頂?shù)装逡平孔兓€(xiàn)

圖4 不同埋深條件下巷道頂兩幫移近量變化曲線(xiàn)

1) 不同埋深情況下，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形性呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)相鄰工作面與巷道測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，巷道圍巖變形量很小，當(dāng)相鄰工作與巷道測(cè)點(diǎn)距離小于20 m時(shí)，巷道圍巖變形量開(kāi)始增加，當(dāng)相鄰工作面退過(guò)后，巷道圍巖變形量持續(xù)緩慢增加一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

2) 本工作面回采過(guò)程中，當(dāng)工作面與測(cè)點(diǎn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，巷道圍巖變形量變化很小，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離測(cè)點(diǎn)30 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖變形量開(kāi)始快速增大，直至工作面推進(jìn)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)可對(duì)巷道進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)，以確保工作面端頭的穩(wěn)定。

3) 當(dāng)巷道埋深為100 m、150 m、200 m、250 m、300 m時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為：17.19 mm、27.59 mm、38.00 mm、55.22 mm和72.43 mm；巷道兩幫移近量最大值分別為：7.11 mm、14.34 mm、21.57 mm、35.59 mm和49.60 mm。

3.2 構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

為了模擬構(gòu)造應(yīng)力變化對(duì)巷道圍巖變形的影響，可以通過(guò)改變巷道圍巖所受的側(cè)壓系數(shù)模擬構(gòu)造應(yīng)力的變化。本次數(shù)值模擬設(shè)定巷道埋深為200 m，對(duì)側(cè)壓系數(shù)取1.0、1.2、1.5、2.0、2.5時(shí)巷道圍巖變形量進(jìn)行分析。采動(dòng)影響前，巷道穩(wěn)定性參考指標(biāo)為：頂?shù)装逡平繛?0.45 mm、兩幫移近量為9.81 mm。通過(guò)數(shù)值模擬，不同構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖的變形量，見(jiàn)圖5和圖6。由模擬結(jié)果可知：

1) 不同側(cè)壓系數(shù)情況下，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形性呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)相鄰工作面與巷道測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，巷道圍巖變形量很??；當(dāng)相鄰工作與巷道測(cè)點(diǎn)距離小于20 m時(shí)，巷道圍巖變形量開(kāi)始增加；當(dāng)相鄰工作面退過(guò)后，巷道圍巖變形量持續(xù)緩慢增加一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

2) 本工作面回采過(guò)程中，當(dāng)工作面與測(cè)點(diǎn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，巷道圍巖變形量變化很小，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離測(cè)點(diǎn)30 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖變形量開(kāi)始快速增大，直至工作面推進(jìn)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)可對(duì)巷道進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)，以確保工作面端頭的穩(wěn)定。

3) 當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0、1.2、1.5、2.0、2.5時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為：30.40 mm、38.00 mm、47.50 mm、64.60 mm和83.60 mm，巷道兩幫移近量最大值分別為：17.26 mm、21.57 mm、26.96 mm、36.67 mm和47.45 mm。

圖5 不同構(gòu)造應(yīng)力條件下巷道頂?shù)装逡平孔兓€(xiàn)

圖6 不同構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道頂兩幫移近量變化曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬分析，可得出如下結(jié)論：

1) 煤層埋深影響巷道支護(hù)效果，埋深越大，巷道圍巖變形越大。隨著巷道埋深的增加，巷道圍巖變形量也呈增大的趨勢(shì)，對(duì)于首陽(yáng)煤業(yè)15號(hào)煤層生產(chǎn)地質(zhì)條件，巷道埋深對(duì)圍巖穩(wěn)定性有著重要的影響，埋深越大，巷道所承受的圍壓越大，形變量越大。

2) 構(gòu)造應(yīng)力(側(cè)壓系數(shù))影響巷道支護(hù)效果，側(cè)壓系數(shù)越大，巷道圍巖變形越大，因此巷道在通過(guò)斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)區(qū)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度或進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。