动荷载下巷道压力与支护数值模拟研究

2009-09-04徐成徐春常

现代企业文化·理论版 2009年8期

关键词：平巷动压采动

徐　成　徐春常

摘要：文章对工作条件下受动荷载影响巷道及护巷煤柱的应力及变形规律进行了研究。研究表明：动荷载下引起的侧向支承压力集中区位于煤柱附近上方的岩层中，变形受工作面开采影响很大，高强、全长树脂锚固锚杆可以有效的控制此类巷道的围岩变形。

关键词：地质条件；工作面；巷道压力；数值模拟

中图分类号：TD322 文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）12-0163-02

对受动压影响巷道来说，产生的附加变形与破坏的程度，取决于两方面的因素：一是巷道所受采动附加压力的大小、分布和作用时间的长短；二是巷道自身的稳定状况的好坏，即承受附加压力能力的大小。

一、地质条件概述

某煤矿42105综采工作面回风平巷II所在的4-1煤层厚度基本稳定，平均煤厚3.5 m，埋深120 m左右，倾角1°左右。直接顶岩性为灰色泥岩水平层理，厚度6 m左右。老顶为灰色粉砂岩，水平—波状层理，中部局部见斜交及变形层理，底部团块状，厚度4 m左右。底板为深灰色泥岩，底板稳定性较差，遇水软化。直接底为深灰色泥岩，遇水软化，厚度2.6 m左右。回风平巷II与回风平巷I间距25 m，两条巷道之间每隔50 m有联络巷相联。主要研究在44105工作面开采过程中，回风平巷II在动压影响下的支护状况。数值模拟软件运用三维有限差分计算机程序FLAC3D建立立体模型。

二、数值模拟分析

（一）数值模拟初值设定

模型底边界垂直位移固定，左右边界水平方向位移固定。各岩层力学性质根据实际情况而定，如表1所示。材料本构模型为摩尔—库仑模型。

三维计算过程为：模型生成—原岩应力计算—回风平巷I与回风平巷II开挖—计算稳定—44102工作面分步开采—各步计算平衡—结果输出。其中模型由180000个块体，190568个节点组成，在xz平面内划分情况如图3所示。

计算采用莫尔—库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则：fs=σ1-σ3(1+sinφ)/(1-sinφ)+2c (1+sinφ)/(1-sinφ)，式中，σ1，σ3分别是最大和最小主应力；c和φ分别是材料的黏结力和摩擦角。

（二）模拟结果分析

采准巷道的矿压显现比煤体内不受开采影响的单一巷道要复杂得多，它的维护状况除取决于影响单一巷道维护的诸因素外，主要取决于采动影响，即煤层开采过程中引起的采场周围的岩层运动和应力区更新分布、对采准巷道的变形、破坏和维护的影响。

工作面开采55m时，沿巷道工作面开采55m时顶板垂直应力图如图1所示，10m～15m处是回风平巷II的位置，15m～35m是保护煤柱的位置，35m～40m为回风平巷I的位置，40m～100m是工作面开采的范围（图1主要为了说明煤柱上的垂直应力情况，50m～100m的应力图中没有标出）的。

分析结果表明，当44105工作面回采时，垂直应力演化的特点：由于煤层开采引起上覆岩层跨落、弯曲形成岩梁结构，采动引起的侧向支承压力集中区位于煤柱附近上方的岩层中，应力集中区靠近采空区一侧；应力集中区应力最大值为6.5MPa；煤柱上靠近采空区附近的岩层，其应力水平很低，这与煤柱附近存在压不实死三角区有关；回风平巷II处于44105工作面采动引起的支承压力影响区内，其中靠近采空区的右帮受到的垂直应力要大于左帮。图2是工作面推进过程中，回风平巷II的顶板下沉量，交叉点是回风平巷II与联络巷的交叉点。图3是工作面推进过程中，在没有支护的情况下，回风平巷II的两帮移近量。由图2、3可以看出，无论是利用锚杆支护还是不支护下，回风平巷II在掘进期间巷道的围岩变形量以及从掘巷稳定到受到工作面开采影响期间的巷道流变都不是很大。

从图2还可以看出，在受到采动影响以前，在锚杆支护的情况下，其围岩变形量比不支护的情况下还是小一些；回风平巷II受到了工作面回采期间强烈的动压影响。其中，回风平巷II与联络巷交叉点围岩变形量要远大于非交叉点巷道围岩变形量。

从图3还可以看出，巷道左帮先是产生向右的位移，在受到动压影响后，巷道产生较大的向左的位移，并趋于稳定。另外，巷道右帮的变形要大于左帮的变形，这是由于巷道的右帮位于煤柱一侧，当回风平巷II受到采动影响时，巷道右帮附近的垂直压力大于巷道左帮，因而产生了比左帮大的变形量。由模拟分析可知，在具有合适宽度的保护煤柱的前提下，受动压影响煤巷中使用高强度、全长树脂锚固锚杆支护是可以有效地控制巷道变形。