高应力条件下岩巷层位选择的数值模拟分析

彭继勇，解 波

(恒源煤电股份有限公司钱营孜煤矿，安徽宿州234000)

高应力条件下岩巷层位选择的数值模拟分析

彭继勇，解 波

(恒源煤电股份有限公司钱营孜煤矿，安徽宿州234000)

某矿即将开采6煤，拟将6煤轨道大巷、回风大巷及运输大巷布置在其底板岩层中。为了确定大巷的具体位置，通过FLAC3D数值计算软件对巷道的具体层位选择情况进行模拟研究，分析了不同层位条件下巷道的围岩变形、塑性区分布以及应力分布情况，模拟结果表明将巷道布置在6煤底板9.0m厚的石英砂岩中，巷道的变形量最小，受力状态最好，有利于巷道的整体维护。

高应力;岩巷;层位选择;数值模拟

某矿在矿井整合之初仍采用原有生产系统对4煤进行开采，由于4煤顶底板均为厚层软弱泥岩或粉砂质泥岩，围岩力学性质差、裂隙发育，再加上埋深大 (800m)，地压高，巷道变形破坏非常严重，往往在掘出后3～4个月就需要进行大规模返修，极大地制约了矿井的通风能力和运输能力。矿井后期将开采下部的6煤层，为改善巷道变形量大，严重制约矿井生产的局面，拟沿走向在6煤底板岩石中布置轨道巷、回风巷以及胶带输送机大巷，但具体位置的选择需要进一步研究。为实现对新掘岩石大巷变形破坏的有效控制［1－3］，结合考虑巷道掘进速度、后期石门、联络巷的工程量等因素，借助FLAC3D数值计算软件［4－5］对3条岩石大巷的层位布置进行数值模拟研究 (数值计算以胶带输送机大巷为例)，通过对不同层位条件下巷道的围岩变形、应力分布以及塑性破坏情况进行对比分析，以确定岩石大巷的最佳层位。

1 工程概况

某矿主采4，6煤层，煤种为无烟煤，煤层倾角6～9°;地表为山体，煤层埋深约800m，地压大;矿井开拓方式为斜井开拓，目前生产能力0.4Mt/a;采煤工作面采用倾斜长壁式布置，金属摩擦支柱配铰接顶梁支护，放炮落煤，人工装煤，刮板输送机运煤;矿井属低瓦斯矿井，各煤层无爆炸危险性、不易自燃;地质及水文地质条件属中等类型。4煤层和6煤层之间岩层总厚为26.8m，主要为粉砂质泥岩和粉砂岩，煤岩层柱状见图1。

图1 煤岩层柱状

2 模型建立及方案制订

2.1 计算模型的建立

为充分考虑煤岩层之间的协调性以及消除边界效应影响，FLAC3D几何模型尺寸为:长×宽×高= 49m×50m×68.6m，模型共划分 80500个单元，84632个节点。模型服从Mohr－Coulomb准则，底边界和四周边界采用零位移边界条件，上部边界不约束，上覆岩层用等效载荷代替P=17.5 MPa。采用锚杆单元模拟锚杆、锚索，梁单元模拟钢带，界面单元模拟岩层层面，数值计算模型如图2所示。各岩层的物理力学参数具体见表1。

图2 数值计算模型

表1 4煤层附近主要岩层物理力学性质

2.2 模拟方案

6煤层底板约10m，23m深度分别为厚3.0m的砂岩和9.0m的石英砂岩，为使大巷易于维护，充分保障其稳定性，模拟方案主要考虑将胶带输送机大巷布置在砂岩或石英砂岩中，即巷道位置距6煤底板分别为10m，9.5 m，9m和22.5m 4种方案，不同方案巷道层位布置示意如图3所示。

2.3 巷道断面及支护参数

数值模拟的巷道支护参数采用原4煤胶带输送机大巷现场实际支护参数。

(1)巷道断面 断面为直墙半圆拱形，巷道掘进宽度5.0m，墙高1.5m，拱高2.5m。

图3 不同方案巷道层位布置示意

(2)锚杆参数 采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合高强度鼓形托板 (150mm×150mm× 10mm)进行两帮和顶板支护;锚杆规格为20mm ×M22×2400mm;锚固剂采用3卷规格为Z2350的树脂药卷进行加长锚固;锚杆间排距为950mm× 700mm，底角锚杆距巷道底板为300mm，角度为30°，其余锚杆均垂直岩面布置，锚杆预紧扭矩300N·m。

(3)锚索参数 锚索布置于2排锚杆中间，全断面布置3根锚索，拱顶锚索布置于中间，两肩角锚索与巷道半圆拱中心呈45°角布置，排距为1.4m;锚索钢绞线规格为17.8mm×6.5m，张拉力为100kN(10t);每孔采用4节Z2350中速树脂药卷加长锚固;锚索配合规格为250mm×250mm× 16mm的钢托板。巷道断面及支护参数见图3。

图3 巷道断面及支护参数

3 方案比较与选择

3.1 围岩变形情况分析

模拟巷道长49m，分7次开挖。对计算数据处理后，得到4种方案条件下巷道围岩位移的等值线分布，如图4所示。运用Hist语句记录4种方案条件下巷道围岩表面位移，如表3所示。

表3 不同方案对应巷道围岩表面位移量

图4 不同方案条件下巷道围岩位移等值线

由图4可知，方案1，2，3中，围岩位移均相差不大，由于3m粉砂岩上方为粉砂质泥岩，其强度要高于下方泥岩，故巷道破顶掘进时的变形量要小于破底掘进;从表3得出，在方案4条件下，巷道围岩变形量最小，特别是底鼓量，与前3个方案相比减少了59%。围岩表面位移大小关系为:方案4＜方案3＜方案2＜方案1，方案4相比于方案3，其顶、底板及两帮移近量分别减少约15%、59%、36%，底板的控制效果最好，其次是帮部。

3.2 塑性变形情况分析

取不同方案的巷道围岩塑性区分布图，具体情况如图5。

由图5可知，4个方案的巷道围岩塑性破坏区的分布情况大致相同。浅部围岩受拉、剪破坏，以剪切破坏为主，而深部围岩是剪切破坏;巷道肩角、底角受破坏程度比其他区域严重。但是方案4中顶板和底板的塑性破坏范围较小，且肩角和底角位置处的破坏程度也相对较小，说明方案4的巷道稳定性要好于前3个方案。

3.3 应力分布情况分析

取不同方案的巷道围岩垂直应力分布云图，具体如图6。

图5 不同方案条件下巷道围岩塑性区分布情况

由图6可见，方案1，2，3中围岩垂直应力降低区相差不大，而方案4中应力降低区范围有所缩小，表明方案4条件下，围岩受力状态要好于前3个方案。

图6 不同方案条件下巷道围岩垂直应力分布

具体排序为:方案4优于方案2优于方案1优于方案3。方案4中，巷道侧向支承压力峰值为28.6 MPa，应力集中系数约为1.6，峰值出现位置距离巷帮约12 m。

综上所述，由4种方案巷道围岩变形位移及破坏特征、塑性区分布和围岩受力情况比较分析可得，方案4巷道围岩的受力情况较好，围岩变形位移小，确保巷道在服务期间的稳定性，对于同等条件下的巷道围岩变形分析及方案选择提供借鉴，并为煤矿的安全高效生产提供基础条件。

4 结论

将大巷布置在6煤底板23m深9.0m厚的石英砂岩中时，巷道整体围岩环境好、变形量小;与布置在3m的粉砂岩中相比，巷道的顶、底板及两帮移近量可分别降低约15%、59%、36%，其中底板的控制效果最好，其次是帮部，有利于巷道的整体维护。

3条开拓巷道同时布置在9.0m石英砂岩中时，为避免侧向支撑压力增高区的影响，巷道间水平距离至少为25m。

［1］高召宁，孟祥瑞.深井高应力软岩巷道围岩变形破坏及支护对策［J］.中国煤炭，2007，33(1):8－11.

［2］何长海，姜耀东，曾宪涛，等.深井岩巷高强高预紧力锚杆支护优化数值模拟［J］.煤矿开采，2010，15(3):50－52.

［3］杨永康，季春旭，康天合，等.大厚度泥岩顶板煤巷破坏机制及控制对策研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2011，30 (1):59－67.

［4］黄艳利，张吉雄，范 军，等.近距离煤层回采巷道合理布置方案［J］.煤矿安全，2009(9):66－68.

［5］张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨 ［J］.岩石力学与工程学报，2008，27 (1):97－101.

［责任编辑:姜鹏飞］

Numerical Analysis on the Choice of Layers in the Floor Fit for Rock Roadways under High Stress

Peng ji-yong，Xie bo

(Qianyingzi Coal Mine，Hengyuan Coal－electricity Group Co.，Ltd.，Suzhou，234000，China)

No.6 coal seam will be excavated in a coal mine，where the railway roadway，the return roadway，and the transportation roadway will be developed along the floor of No.6 coal seam.To determine the exact sites of the roadways，numerical models were created with FLAC3Dto analyze the layers of floor fit for roadways.This paper evaluated the deformation of surrounding rock，plastic zone distribution，and stress distribution when the roadways were located at different layers of the floor，and the results showed that the roadways had the smallest deformation and the best stress state favorable to its stability when the roadways were located at the layer of sandstone 9.0m thick in the floor.

high stress;rock roadway;choice of layers;numerical model

TD263

A

1006-6225(2012)04-0011-04

2011－12－27

彭继勇 (1963－)，男，安徽萧县人，恒源煤电股份有限公司钱营孜煤矿工程师，掘进副矿长，主要从事矿井掘进管理工作。