长壁开采三顺槽矿压特征数值模拟研究

乔立瑾

（煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001）

长壁开采三顺槽矿压特征数值模拟研究

乔立瑾

（煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001）

采用数值模拟方法，研究长壁开采条件下三顺槽在不同开采阶段围岩的应力场分布和帮部支承压力分布特征。研究结果表明：三顺槽掘成后，所有顺槽帮部越靠近中间顺槽，破坏区域越大，应力集中系数也越高；上区段工作面回采后，所有顺槽帮部越靠近上区段工作面，破坏区域越大，应力集中程度越高；下区段工作面回采后，越靠近中间顺槽，破坏区域越小，相应的应力集中程度也越小。

长壁开采；三顺槽；矿压特征；支承压力；数值计算

1 引言

在我国煤矿综采面中，两工作面间布置两条顺槽的情况比较多，然而，随着对煤矿安全要求指标的提高以及通风的需要，工作面间布置三条顺槽的情况越来越多，在山西范围内很多矿井（例如赵庄、寺河及大宁煤矿）都采用了三顺槽的布置。为此研究工作面三顺槽的矿压规律就显得非常有意义。

在岩体地下工程中，地下空间的开挖使得开挖空间的周围的应力场发生变化，应力的大小和方向都发生了改变，这种应力重新分布和演化的过程我们叫做二次应力场的形成[1-7]。

工作面间留设的三顺槽在其服务期间，要经历巷道掘进、上区段工作面采动和下区段工作面采动等阶段，其力学环境特征及结构将会发生很大变化。总体来说，三顺槽在工作面采动期间，其矿压规律及稳定性主要取决于巷道周边围岩的物理力学性质以及上覆岩层的结构。

为了确定工作面三顺槽的矿压特征，以国内某大型矿井为工程背景，研究三顺槽在巷道掘进、工作面采动情况下巷道矿压特征的演变规律，给矿井巷道支护提供可靠的依据。

2 工程背景及数值计算模型的建立

以国内某大型矿104和105工作面及其之间的顺槽201、202、203为工程背景，采用国际最流行的大型岩土数值计算软件[8,9]，建立三顺槽及其附近工作面的整体力学模型。模型总体长度135m，顺槽巷道的宽都为5.5m，高3.5m，保护煤柱宽30m。据此建立的数值计算模型如图1所示，模型共划分1512个六面体单元，共有3212节点。模型除上边界外的五个边界面的法向位移固定，上边界施加6.63m P a的均布压力。

图1 整体计算模型

利用与现场相符合的施工生产顺序，实施三顺槽的掘进、上下区段工作面的采掘，分析整个过程中顺槽矿压特征的演变规律。数值计算采用的岩层分布和岩石力学参数，如表1所示。

3 三顺槽矿压特征分析

初始平衡后的铅垂应力分布云图，见图2，在此假定初始应力场全部由自重应力场产生，从图中可以得知，铅垂应力从上往下逐渐增大，在同一个水平高度上铅垂应力在数值上相等，这种应力分布和静水压力分布类似。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

图2 初始应力场

3.1 巷道掘成后的矿压特征

在得到初始应力场后，利用计算程序的开挖模块来模拟巷道掘进，即开挖顺槽201、202和203网格，首次计算（即施加锚杆锚索支护结构前）释放30%应力，并计算至平衡，随后施加锚杆、锚索支护结构，锚杆的初始预紧力都为5t，锚索的初始预紧力都为8t。

图3 三顺槽掘成后铅锤应力分布云图

在巷道掘进完成后，三顺槽的铅垂应力分布云图如图3所示。从图中可以看出，在顺槽表面附近出现了卸压区域，中间巷道卸压区范围稍大，煤体中的应力集中程度也高，锚杆都受到轴向拉力。

在三个顺槽都掘成后，中间顺槽202号帮部煤体上的铅垂应力沿随帮部深部路径的分布曲线如图4所示。从图中可以看出，顺槽202号帮部煤体的破坏范围和应力集中程度都较201号和203号顺槽要大，每条顺槽帮部表面的铅垂应力都非常小，远远小于原岩应力，铅垂应力沿帮部煤体分布都是从表面往深部，铅垂应力先增大，后减小到原岩应力数值，这与理论研究结果是一致的。

图4 三顺槽巷道掘成后202号顺槽帮部水平方向铅垂应力曲线

3.2 上区段工作面回采后的矿压特征

图5 上区段工作面回采后铅垂应力云图

图6 上区段工作面回采后202号顺槽帮部水平方向铅垂应力分布曲线

三顺槽开采上区段工作面回采完成后顺槽附近围岩的铅垂应力分布云图，见图5。从图5中可以得出，在上区段工作面回采后，靠近上区段工作面的顺槽203号随之消失，在濒临采空区附近的区域出现大的垮落区域和破坏区域，并且靠近采空区域的煤柱上有较大的应力集中。图6为三顺槽上区段工作面回采完成后顺槽帮部煤体上的铅垂应力从巷道表面往深部沿路经的分布曲线。从图中可以看出，顺槽202号围岩的破坏深度要比201号大的多，应力集中程度也大。煤柱帮部表面的铅垂应力都非常小，远远小于原岩应力，铅垂应力沿帮部煤体分布都是从表面往深部，铅垂应力先增大，后减小到原岩应力数值。

3.3 下区段工作面回采的矿压特征

图7 下区段回采后围岩铅垂应力分布云图

图7为三顺槽下区段工作面回采完成后顺槽附近围岩的铅垂应力分布云图，图8为下区段工作面回采完成后202号顺槽煤柱沿帮部表面往深部铅垂应力分布曲线。从图中可以看出，在下区段工作面回采后，顺槽201号随之消失，上下区段工作面采空区处都存在大的垮落带及围岩破坏区域，濒临两大采空区域的煤柱上都形成了大范围和大深度的破坏，并伴随有极高的应力集中。

图8 下区段工作面回采后202号顺槽帮部水平方向铅垂应力分布曲线

4 三顺槽矿压特征演变规律

图9 三个阶段中202号顺槽帮部水平方向铅垂应力分布曲线

图9为三顺槽巷道在巷道掘成、上区段工作面回采、下区段工作面回采三个阶段顺202号槽帮部煤体上的铅垂应力从巷道表面往深部沿路经的分布曲线。从图中曲线的分布情况以及变化趋势可以看出，在三顺槽掘成后，在三个顺槽周围都形成了破坏区，但中间顺槽（即202号顺槽）的破坏区域较大些，相应的煤柱上应力集中系数也高；在上区段工作面回采完成后，顺槽203号已经消失，顺槽202号和201号破坏区域都加大，应力集中程度也相应增大，但202号顺槽的增大程度更高，尤其是在202号顺槽靠近采空区域的一侧；在下区段工作面回采完成后，顺槽201号已经消失，顺槽202号加大，应力集中程度也相应增大，但202号顺槽靠近下区段采空区域的一侧的增大程度高于靠近上区段采空区域一侧。

5 结论

利用大型数值计算软件对三顺槽三个阶段的围岩应力分布进行了分析，得出如下结论：

1）三顺槽掘成后，中间顺槽两帮围岩破坏深度大，且应力集中系数较高；两边巷道靠近中间巷的帮部围岩破坏深度比靠近外边的帮部围岩破坏深度要大，相应的应力集中程度也较高，但都小于中间顺槽的两帮。

2）上区段工作面采过后，在所有顺槽和煤柱帮部中，靠近上区段采空区的破坏区域大，相应的应力集中程度也高。

3）下区段工作面才过后，在所有顺槽和煤柱帮部中，靠近上区段采空区和下区段采空区的破坏区域大，相应的应力集中程度也高，中间顺槽两帮的破坏区域相对较小，应力集中程度也较小。

[1]Shaoqing NIU,Shuangsuo YANG,Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb TheoryCriterion[J].Advanced Materials Research，Vols.261-263（2011）pp 1439-1443.

[2]牛少卿，杨双锁，王志刚，寇永嘉.非均匀水平应力场中井壁结构的优化设计研究[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2010，26(3):60-63.

[3]王思红，牛少卿，寇永嘉.松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛华晋，牛少卿，颜文艳.长壁开采条件下巷道三岔口稳定性研究[J]，山西煤炭，2010，30(12):39-41.

[5]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010,35(11):1842-1853.

[6]杨双锁，曹建平.锚杆受力演变机理及其与合理锚固长度的相关性[J].采矿与安全工程学报，2010,27(1):1-7.[7]牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[8]Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions[M].Minnesota:Itasca Consulting Group,Inc.,2005.

[9]陈育民，徐鼎平.F L A C/F L A C 3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

Numerical Simulation of Three-crossheading Strata Behavior in Long-wallmining

QIAO Li-jin
(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry,Taiyuan Shanxi030001)

By numerical simulation,three-crossheading's stress distribution and side abutment pressuredistribution of surrounding rocks are studied at the differentmining phases in long-wallmining.The resultsshow that,after the completion of crossheading digging,the closer all side crossheadings are to centralcrossheading,the bigger destruction area is and the higher stress concentration factor is.After the caving ofupper part,the closer all side crossheadings are to upper part,the bigger destruction area,the higher stressconcentration degree;after the caving of lower part,the closer to central crossheading,the smaller destructionarea,correspondingly,the lower stress concentration degree.

long-wall mining;three-crossheading;strata behavior;supporting pressure;numericalcalculation

TD353.6

A

2011-09-14

乔立瑾(1981—)，男，山西祁县人，大学本科，工程师，从煤炭开采设计等方面的研究工作。

徐树文