新安矿回采对巷道影响的数据模拟研究

元永国

（辽源职业技术学院，吉林辽源 136201）

新安矿回采对巷道影响的数据模拟研究

元永国

（辽源职业技术学院，吉林辽源 136201）

双鸭山矿业集团新安煤矿共有三个可采的的单一煤层，随着采深的增加，工作面回采的采动影响对周围巷道的影响将日益加强，基于此以8号煤层为例，进行了数据模拟，分析了采动对巷道围岩应力分布和位移特征，为矿山巷道的支护提供了科学依据。

回采；围岩；数据模拟；采动影响

双鸭山矿业集团新安煤矿位于黑龙江省双鸭山市友谊县境内，目前开采的煤层为六采区8上号煤、七采区8号、12号煤。在煤层结构上，这三个煤层均为单一煤层，从地质条件上看，随着回采深度的增加，井田的断层及火成岩等构造较多，对这三个煤层破坏较严重。而三个煤层中都布置有工作面，工作面的回采必定对周围的巷道有采动影响，为了避免发生发生顶板事故，应该对巷道受采动影响的范围和程度有所研究，为巷道支护提供科学的依据。

1 计算几何模型的确立

对于受巷道上部工作面回采影响的煤层巷道，巷道围岩受巷道上部工作面参与支撑应力作用，在一定程度上己经受到破坏，加上本区段工作面的回采，煤层巷道围岩的矿山压力的分布范围和显现程度会较大[1]。为了全面掌握巷道上部工作面回采工作对这种煤层巷道周围岩石的影响，确定巷道的围岩变形、内部应力、位移情况及其分布规律，最终建立原始模型，见图1。

1.1 模型计算范围的确定

煤层巷道开始挖掘后，巷道周围岩石或煤壁煤的原始应力平衡状态必定会发生变化，产生围岩变形、岩石移动等矿压现象，而且其波及的范围往往会很大，但是其影响范围有一定限度，不会无限扩大[2]。同时，按照现场多年的实践经验和方便数据模拟，给定影响范围一个适当的值。现场大量的实践表明，顶板覆岩应是整个几何模型的主体范围，一小部分煤层底板也将包含在整个几何模型中，这是考虑到煤层顶板、煤层以及煤层底板三者之间变形的协调关系。模型长度和宽度皆为40 m，共划分为6 400个0.5 m×0.5 m的正方形单元[3]。

图1 原始模型

1.2 边界约束条件的确定

模型采用零位移边界条件，具体处理如下：a.上部边界是自由边界。上部边界以上的岩石层，将作为外载荷作用在模型的上部边界上[4]。b.左、右两边界都是单约束边界，即u=0，v≠0（u为水平方向位移，v为竖直方向位移）。c.下部边界是全约束边界[5]，即u=v=0。

1.3 模型加载

因为巷道实际平均埋深600.3 m，所以确定巷道煤层模拟埋深-600 m，此时外载荷原岩应力15 MPa，原岩应力为水平应力的0.84倍，约18 MPa。

2 计算物理模型的确定

根据概况实际地质条件，确定选取较为实用的弹性模型和摩尔-库仑塑性模型。

2.1 岩体力学参数的选取

根据现场实际地质调查和岩石力学试验结果，模拟计算采用的岩体力学参数，如表1所示。

表1 岩石物理参数表

3 数值模拟结果与分析

3.1 巷道围岩应力场特征分析

巷道开掘后巷道周围岩石原始的三向应力平衡状态将被打破，应力重新分布后，应力集中在围岩内部某处出现，8号煤巷道围岩应力分布情况，见图2-图6，从图中可以看出：a.掘进期间，巷道围岩的应力增高区位于巷道右上角与底板位置以及煤柱和工作面侧煤体。巷道两帮围岩在距离巷帮5 m处出现低水平应力区，以及距离巷帮20 m处出现低垂直应力区。b.回采期间，受上区段开采残余侧支承压力影响，开挖引起的巷道围岩应力重新分布，致使在煤柱和工作面侧煤体及巷道右顶角和底角煤岩体均出现应力集中，巷道两帮围岩在一定范围内存在低水平应力区，分别在距离巷帮5 m处出现低水平应力区，以及距离巷帮20 m处出现低垂直应力区。

图2 巷道水平应力分布（掘进期间）

图3 巷道水平应力分布（回采期间）

图4 巷道垂直应力分布（掘进期间）

图5 巷道垂直应力分布（回采期间）

图6 掘进期间位移矢量图

图7 回采期间位移矢量图

3.2 巷道围岩位移场特征分析

1）从图6和图7中可以看出：a.新安回采期间矿巷道围岩的位移矢量数值及范围回采期间均大于掘进期间的数值和范围，在掘进期间8号煤巷道围岩的最大位移矢量为0.019 1 m，回采期间为0.032 45 m。b.新安矿巷道围岩一定范围内煤岩体在掘进、回采期间都会产生位移变化，但在巷道上部采煤工作面回采过程中产生位移的范围会逐渐扩大，尤其是巷道两帮的煤壁。

2）从图8-图11中可知：a.顶底位移和两帮在巷道掘进期间位移均不太明显。b.在回采过程中，巷道顶位移和两帮位移逐渐增大，主要表现在巷道两帮缩近和顶板下沉。

图8 掘进期间水平位移分布

图9 回采期间水平位移分布

图10 掘进期间垂直位移分布

图11 回采期间垂直位移分布

综上所述，可见新安煤矿8号煤层上部工作面回采期间，8号煤层巷道的内部应力发生了变化，巷道变形开始加剧，通过数据模拟分析，说明新安矿上部工作面的回采对下部巷道产生了较大的采动影响，新安煤矿应根据数据模拟结果和现场实际观测，综合制定巷道的支护方案，以防止因采动影响而引起下部煤层巷道发生顶板事故。

[1]王德润，谢广祥.综放回采巷道稳定性数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2000（1）：34-35.

[2]陈富洋，张华恩.二矿四采区30号煤层回采巷道失稳状况浅析[J].煤炭技术，2002，11（21）：23-25.

[3]李学良.基于FLAC3D的采动区覆岩破坏高度数值模拟研究[J].煤炭技术，2012，10（31）：83-85.

[4]曹锋，程永.神火矿区回采巷道围岩稳定性分类研究[J].煤矿开采，2006，06（11）：65-66.

[5]李佳佳，高明中，王素军.近距离采动影响巷道稳定性数值模拟研究[J].煤炭技术，2010，1（29）：79-81.

Numerical Simulation of Mining Influence on Roadways in Xin'an Mine

YUAN Yongguo
(Liaoyuan Vocational and Technical Institute,Liaoyuan 136201,China)

There are three minable single coal seams in Xin'an Mine,Shuangyashan Mining Group. With the mining deepening,the mining influence on the surrounding roadways increases.Taking an example of No.8 coal seam,numerical simulation was conducted to study the stress distribution and displacement of surrounding rocks caused by mining,which could provide a scientific basis for the roadway support.

mining;surrounding rock;numerical simulation;mining influence

TD353

A

1672-5050（2015）03-0061-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.022

（编辑：武晓平）

2015-03-14

元永国（1979-），男,吉林四平人，硕士，讲师，从事采矿、通风安全教学研究工作。