基于FLAC 3D的動(dòng)壓巷道應(yīng)力場(chǎng)演化特征數(shù)值模擬分析

摘? 要：在煤礦開采中，工作面推進(jìn)引起的圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化是導(dǎo)致巷道破壞、圍巖變形的重要因素之一，分析動(dòng)壓巷道應(yīng)力場(chǎng)演化對(duì)安全生產(chǎn)有著重要意義。根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)受采動(dòng)影響的巷道使用FLAC 3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，并從應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)演化以及塑性區(qū)分布特征進(jìn)行了分析，通過實(shí)地監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬分析進(jìn)行了驗(yàn)證，由此針對(duì)安全生產(chǎn)給出了上山保護(hù)煤柱尺寸應(yīng)在100 m的建議。

關(guān)鍵詞：工作面；圍巖變形；應(yīng)力場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）04-0157-06

Numerical Simulation Analysis of Stress Field Evolution Characteristics of Dynamic Pressure Roadway Based on FLAC 3D

LI Yexu

（School of Mining Engineering， Anhui University of Science & Technology， Huainan? 232001， China）

Abstract： In coal mining， the change of surrounding rock stress field caused by working face advance is one of the important factors leading to roadway failure and surrounding rock deformation， and making an analysis on dynamic pressure roadway stress field evolution is of great significance for safe production. According to the engineering example， the numerical simulation of a roadway affected by mining is carried out by FLAC 3D software， and the characteristics of stress field， displacement field evolution and distribution of plastic zone are analyzed. The numerical simulation analysis is verified by the on-site monitoring data. Therefore， it is suggested that the size of the uphill protective coal pillar should be 100 m for safe production.

Keywords： working face; surrounding rock deformation; stress field; numerical simulation

0? 引? 言

研究動(dòng)壓巷道的應(yīng)力場(chǎng)演化特征，在判斷受采動(dòng)影響的巷道穩(wěn)定性、巷道破壞形式以及安全生產(chǎn)等多方面都有積極的意義[1-5]。本文結(jié)合祁南煤礦1017工作面實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察、力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[6-8]，分析該工作面在回采推進(jìn)過程中應(yīng)力場(chǎng)演化特征，并結(jié)合實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給安全生產(chǎn)提供了建議。

1? 工程概況

1.1? 工作面概況

1017工作面位于祁南煤礦水平101采區(qū)，地面標(biāo)高22.5～23.2 m，工作面標(biāo)高-393.0～-447.3 m。1017工作面位于101采區(qū)左翼第四區(qū)段，走向長(zhǎng)795 m，傾斜長(zhǎng)101/99 m。

1.2? 煤層頂?shù)装迩闆r

老頂：細(xì)～中粒砂巖，0～4.2 m，淺～深灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，夾有薄層粉砂巖，具水平層理。

直接頂：泥巖，0.5～2.2 m，深灰色，碎塊狀～塊狀，富含植物化石碎片。

直接底：泥巖，0～3.5 m，灰黑色～黑色，含炭質(zhì)泥巖，含有植物化石碎片。

老底：粉砂巖，6.5～9.7 m，灰～灰黑色，塊狀結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育，含有植物化石碎片。1017工作面地質(zhì)條件如表1所示。

1.3? 地質(zhì)構(gòu)造

工作面所在段整體地層為一單斜構(gòu)造，走向?yàn)镾N，傾向?yàn)镋，煤層傾角為4～20°，平均傾角為10°局部煤層有一定的起伏變化。根據(jù)三維地震勘探資料和1015工作面揭露的地質(zhì)情況分析，工作面內(nèi)及其周圍小構(gòu)造較為發(fā)育，H＜2 m斷層8條；2 m≤H＜5 m斷層3條，煤層有一定起伏變化，切巖附近約200 m受火成巖侵蝕影響，破壞了煤層的完整性。

2? 動(dòng)壓巷道應(yīng)力場(chǎng)演化特征數(shù)值模擬分析

2.1? 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)依據(jù)祁南煤礦101采區(qū)1017工作面頂?shù)装鍖?shí)際地質(zhì)條件，模擬工作面開采過程中對(duì)前方巷道影響特征；數(shù)值計(jì)算模型尺寸：長(zhǎng)×寬×高=250×400×220 m，共劃分185 688單元，模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.2? 動(dòng)壓巷道應(yīng)力場(chǎng)演化特征

工作面回采過程中，當(dāng)煤壁距上山不同距離時(shí)工作面前方煤巖體支承壓力分布及上山圍巖垂直應(yīng)力演化云圖如圖2所示，由圖2可知：

（1）上山掘進(jìn)后，其巷道兩幫的垂直應(yīng)力在3～15 m的范圍內(nèi)以1.3左右的系數(shù)集中；巷道頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力在一定范圍內(nèi)上降低了，其煤巖體處于卸壓狀態(tài)。

（2）在工作面回采過程中，當(dāng)工作面煤壁距離上山280～160 m時(shí)，因工作面回采而產(chǎn)生的超前支承壓力對(duì)上山圍巖應(yīng)力分布幾乎沒有影響，上山圍巖垂直應(yīng)力與上山剛開掘后垂直應(yīng)力分布相當(dāng)；此時(shí)煤壁前方支承壓力集中系數(shù)2.2左右。

（3）隨著工作面不斷向前推進(jìn)，當(dāng)工作面煤壁距離上山120 m時(shí)，因超前支承壓力對(duì)上山圍巖體應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，此時(shí)上山巷道兩幫垂直應(yīng)力集中系數(shù)為1.48左右，較上山掘進(jìn)后其應(yīng)力集中程度有所增加，但增加值較小。

（4）隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，如當(dāng)工作面距離上山100 m時(shí)，工作面超前支承壓力已對(duì)上山應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響，從圖2（f）可見，此時(shí)上山靠近工作面一幫3～30 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力集中系數(shù)為1.6～1.88。

（5）當(dāng)工作面煤壁距離上山60 m時(shí)，此時(shí)上山幫部垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.0左右，工作面超前支承壓力對(duì)上山巷道圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響。

2.3? 動(dòng)壓巷道位移場(chǎng)演化特征

工作面回采過程中，上山巷道圍巖變形曲線如圖3所示，由圖3可知：

（1）當(dāng)工作面煤壁距離上山較遠(yuǎn)時(shí)（200 m以外），上山圍巖變形量較小，此時(shí)巷道兩幫累計(jì)移近量為38 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量為45 mm；即超前支承壓力對(duì)上山的影響在距工作面煤壁較遠(yuǎn)時(shí)比較微小。

（2）當(dāng)工作面持續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，煤壁前方超前支承壓力影響范圍也向前移動(dòng)，由圖中曲線斜率可知，當(dāng)上山與工作面煤壁距離在200～110 m范圍時(shí)，此時(shí)曲線斜率變陡峭，即上山巷道圍巖變形增大，兩幫累計(jì)移近量增大到188 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量增大到249 mm。

（3）隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，圖中曲線斜率變得更加陡峭，即巷道圍巖變形速率增大，工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力對(duì)上山巷道產(chǎn)生劇烈影響，此時(shí)巷道圍巖破碎；工作面煤壁距上山巷道60 m時(shí)，上山巷道兩幫累計(jì)移近量達(dá)397 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量達(dá)520 mm。

2.4? 塑性區(qū)分布特征

工作面回采過程中，當(dāng)煤壁距上山不同距離時(shí)工作面前方煤巖體塑性區(qū)分布及上山圍巖塑性區(qū)云圖如圖4所示，由圖4可知：

（1）上山掘進(jìn)后，巷道頂部部分煤巖體處于剪切和拉伸狀態(tài)，此時(shí)若支護(hù)強(qiáng)度滿足要求，塑性區(qū)將不再擴(kuò)展。

（2）隨著工作面的推進(jìn)，工作面頂?shù)装逵捎谑芑夭傻挠绊?，其頂?shù)装迕簬r體產(chǎn)生拉剪破壞，頂板塑性破壞區(qū)達(dá)60 m左右高度，底板塑性破壞區(qū)達(dá)35 m左右深度；工作面煤壁前方煤巖體拉伸破壞。

（3）工作面煤壁距離上山120 m以外范圍時(shí)，由于工作面回采而產(chǎn)生的超前支承壓力對(duì)上山圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生的影響較小；當(dāng)工作面煤壁距離上山120 m以內(nèi)范圍時(shí)，上山巷道圍巖的塑性區(qū)在工作面超前支承壓力的影響下持續(xù)擴(kuò)大，破壞形式為剪拉破壞，此時(shí)將導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大變形及破壞。

3? 1017工作面超前支承壓力實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

在祁南煤礦1015軌道巷中布置4組鉆孔應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)與研究1017工作面超前支承壓力的分布規(guī)律。

1#鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在1015軌道巷煤體內(nèi)，距離1#聯(lián)巷下口平距7 m處，安裝深度為8 m，測(cè)得巷道圍巖應(yīng)力變化曲線如圖5所示，由圖5可知：

（1）從1017工作面煤壁到1#應(yīng)力計(jì)安裝位置距離為305 m，當(dāng)應(yīng)力計(jì)和工作面之間的距離大于120 m時(shí)，測(cè)得的圍巖應(yīng)力值從9.4 Mpa上升到了11.31 Mpa，上升幅度為1.91 Mpa，變化速率為0.03 Mpa/d，這個(gè)時(shí)候工作面超前支承壓力對(duì)圍巖的影響很微小。

（2）工作面持續(xù)向前推進(jìn)，直至應(yīng)力計(jì)與工作面之間距離為120～60 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力的上升幅度和變化速率均呈現(xiàn)出增大勢(shì)頭，圍巖應(yīng)力值從11.31 Mpa上升到了13.54 Mpa，上升幅度為2.23 Mpa，應(yīng)力的變化速率為0.062 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對(duì)前方120 m處的圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了影響。

（3）當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至與應(yīng)力計(jì)相距60～20 m時(shí)，圍巖應(yīng)力又從13.54 Mpa上升到了15.8 Mpa，變化速率為0.078 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對(duì)前方60 m處的巷道圍巖有了急劇的影響。

2#鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在1015軌道巷煤體內(nèi)，距離1#聯(lián)巷下口平距27 m處，安裝深度為8 m，測(cè)得巷道圍巖應(yīng)力變化曲線如圖6所示；由圖6可知：

（1）從1017工作面煤壁到2#應(yīng)力計(jì)安裝位置距離為325 m，當(dāng)應(yīng)力計(jì)和工作面之間的距離大于120 m時(shí)，測(cè)得的圍巖應(yīng)力值從8.96 Mpa下降到了8.72 Mpa，下降幅度為0.2 4Mpa，變化速率為0.003 Mpa/d，易知這個(gè)時(shí)候工作面超前支承壓力對(duì)圍巖的影響很微小。

（2）工作面持續(xù)向前推進(jìn)，直至應(yīng)力計(jì)與工作面之間距離為120～65 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力的上升幅度和變化速率均呈現(xiàn)出增大勢(shì)頭，圍巖應(yīng)力值從8.72 Mpa上升到了9.89 Mpa，上升幅度為1.17 Mpa，應(yīng)力變化速率為0.033 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對(duì)前方120 m處的圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了影響。

（3）當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至與應(yīng)力計(jì)相距65～45 m時(shí)，圍巖應(yīng)力又從9.89 Mpa上升到了10.87 Mpa，變化速率為0.07 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對(duì)前方65 m處的巷道圍巖有了急劇的影響。

3#鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在1015軌道巷煤體內(nèi)，距離1#聯(lián)巷下口平距57 m處，安裝深度為8 m，測(cè)得巷道圍巖應(yīng)力變化曲線如圖7所示，由圖7可知：

（1）從1017工作面煤壁到3#應(yīng)力計(jì)安裝位置距離為355 m，當(dāng)應(yīng)力計(jì)和工作面之間的距離大于135 m時(shí)，測(cè)得的圍巖應(yīng)力值從8.84 Mpa下降到了8.6 Mpa，下降幅度為0.24 Mpa，變化速率為0.003 Mpa/d，易知這個(gè)時(shí)候工作面超前支承壓力對(duì)圍巖的影響很微小。

（2）工作面持續(xù)向前推進(jìn)，直至應(yīng)力計(jì)與工作面之間距離為120～75 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力變化速率出現(xiàn)上升勢(shì)頭，圍巖應(yīng)力從8.6 Mpa上升至9.24 Mpa，上升幅度為0.64 Mpa，應(yīng)力變化速率為0.016 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對(duì)前方120 m處的圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了影響。

總體來說，該段巷道受采動(dòng)影響較小。

4#鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在1015軌道巷煤體內(nèi)，距離1#聯(lián)巷下口平距82 m處，安裝深度為8 m，測(cè)得巷道圍巖應(yīng)力變化曲線如圖8所示，由圖8可知：

（1）從1017工作面煤壁到4#應(yīng)力計(jì)安裝位置距離為380 m，當(dāng)應(yīng)力計(jì)和工作面之間的距離大于279 m時(shí)，測(cè)得的圍巖應(yīng)力值從8.01 Mpa下降到了5.82 Mpa，下降幅度為2.19 Mpa，變化速率為0.078 Mpa/d，該監(jiān)測(cè)期間，巷道圍巖壓力減小。

（2）工作面持續(xù)向前推進(jìn)，直至應(yīng)力計(jì)與工作面之間距離為160～100 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力變化速率有了上升勢(shì)頭，圍巖應(yīng)力從5.88 Mpa上升至6.83 Mpa，上升幅度為1.01 Mpa，應(yīng)力變化速率為0.024 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對(duì)前方160 m處的圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了影響；工作面向前推進(jìn)距離越大，采動(dòng)影響逐漸增大。

總體來說，該段巷道受采動(dòng)影響較小。

4? 1017工作面附近巷道群圍巖變形監(jiān)實(shí)地測(cè)數(shù)據(jù)與分析

在祁南煤礦1017工作面附近巷道布置頂板離層儀，用于監(jiān)測(cè)巷道群圍巖變形數(shù)據(jù)。

頂板離層儀安裝時(shí)，距離工作面387 m。由圖9曲線可得，隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖相對(duì)移近量逐漸增大。具體情況如下：距離工作面387 m到155 m時(shí)，圍巖變形幾乎沒有變化，10 m、7 m、4 m、2 m測(cè)點(diǎn)各自下部巖層累計(jì)移近量分別為：0 mm、0 mm、0 mm、0 mm；最大相對(duì)移近速度分別為0 mm/d、0.83 mm/d、0. 67 mm/d、0.13 mm/d。距工作面155 m到113 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于距離工作面387 m到155 m監(jiān)測(cè)期間的測(cè)點(diǎn)移近速度變大，相對(duì)移近量明顯增大。10 m測(cè)點(diǎn)下部巖層累計(jì)移近量為0 mm；7 m測(cè)點(diǎn)下部巖層累計(jì)移近量從0 mm增大到20 mm；4 m測(cè)點(diǎn)下部巖層累計(jì)移近量由0 mm增大到10 mm；2 m測(cè)點(diǎn)下部巖層累計(jì)移近量由0 mm增大到9 mm。整個(gè)監(jiān)測(cè)期間得到10 m、7 m、4 m、2 m測(cè)點(diǎn)各自下部巖層最大相對(duì)移近量分別為2 mm、6 mm、6 mm、3 mm；最終累計(jì)移近量分別為0 mm、20 mm、10 mm、9 mm；最大相對(duì)移近速度分別為0.67 mm/d、1.5 mm/d、1.25 mm/d、1 mm/d。

5? 結(jié)? 論

綜上所述，有以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

由基于FLAC 3D的數(shù)值模擬分析可知，工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力影響范圍為100 m左右，當(dāng)工作面煤壁距離上山100 m范圍內(nèi)時(shí)，超前支承壓力將對(duì)上山產(chǎn)生較大影響，巷道的破壞形式主要為拉剪破壞。

1015軌道巷鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：1017工作面開采對(duì)101采區(qū)巷道群的影響范圍可以波及回采工作面前方100～120 m；工作面推到距測(cè)點(diǎn)40～60 m時(shí)，巷道受工作面采動(dòng)影響劇烈；采動(dòng)影響劇烈期，測(cè)點(diǎn)處超前支承壓力增長(zhǎng)速度達(dá)到0.07～0.08 MPa/d，壓力增長(zhǎng)較明顯。

實(shí)地監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析數(shù)據(jù)基本吻合，實(shí)地監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)支持?jǐn)?shù)值模擬的分析。因此，為了保證上山巷道的穩(wěn)定，不給安全生產(chǎn)帶來影響，上山保護(hù)煤柱尺寸應(yīng)在100 m左右。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭西貴，姚志剛，張農(nóng).掘采全過程沿空掘巷小煤柱應(yīng)力分布研究 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（4）：459-465.

[2] 方新秋，郭敏江，呂志強(qiáng).近距離煤層群回采巷道失穩(wěn)機(jī)制及其防治 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（10）：2059-2067.

[3] 李家卓，張繼兵，侯俊領(lǐng)，等.動(dòng)壓巷道多次擾動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理及開采順序優(yōu)化研究 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32（3）：439-445.

[4] 李臣，霍天宏，吳崢，等.動(dòng)壓巷道頂板非均勻劇烈變形機(jī)理及其穩(wěn)定性控制 [J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020，51（5）：1317-1327.

[5] 劉建軍.崔家寨煤礦近距離煤層群開采巷道穩(wěn)定性分析 [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（3）：13-16.

[6] 李佳佳，高明中，王素軍.近距離采動(dòng)影響巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究 [J].煤炭技術(shù)，2010，29（1）：79-81.

[7] 孫光中，王國(guó)際，郭軍杰，等.采動(dòng)影響下巷道群穩(wěn)定性數(shù)值分析研究 [J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（S1）：1412-1417.

[8] 劉景儒，吳樹仁，張永雙，等.復(fù)雜斷面洞室圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬分析 [J].鐵道建筑，2007（4）：38-41.

作者簡(jiǎn)介：李業(yè)旭（1996—），男，漢族，安徽宣城人，碩士研究生在讀，研究方向：礦山資源開發(fā)與管理。

收稿日期：2022-09-29