厚松软煤层巷道掘进断面形状优化数值研究

赵宣宣

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 吕梁 033102）

回采巷道是工作面能够形成开采系统的重要一环，回采巷道的设计与稳定关系整个工作面的安全生产。我国煤矿地质条件复杂，对回采巷道的布置提出了严峻的挑战，有关专家学者针对深部巷道、高地应力巷道、坚硬顶板条件下巷道断面形状的设计研究取得了大量的成果[1-4]。木瓜煤矿二采区工作面全煤巷布置，巷道支护条件差，掘进回采过程中易发生围岩破坏。针对这一工程实际问题，本文从巷道断面形状优化设计入手，研究不同侧压系数下不同断面形状的围岩破坏情况，为回采巷道掘进选取合适断面提供理论依据。

1 工程概况

木瓜煤矿二采区整体为单斜构造，局部区域为背斜、向斜构造，背斜轴部走向NW，背斜、向斜两翼煤层倾角变化较小，煤层倾角3～7°，平均5°，煤层倾角对回采影响较小。二采区所开采煤层为石炭系下统太原组的10#煤，煤层硬度为3～6，宏观煤岩类型为半亮型，玻璃光泽，阶梯状断口，中厚层状，赋存较稳定，无明显变化。煤层顶底板特征见表1所示。

表1 工作面顶底板特征一览表

2 数值模型及参数

选取的巷道断面分别为矩形、圆形、直墙半圆拱形和椭圆形共4种，各断面的尺寸如图1所示。采用FLAC3D数值模拟软件对不同侧压系数下的巷道围岩最大应力、围岩位移情况、围岩塑性区发育情况进行数值分析。

图1 巷道断面尺寸（m）

建立的数值模拟尺寸为40m×5m×40m，模型限制其底部与四周的位移，在模型上边界施加6.5MPa的垂直应力用来模拟上方岩层的载荷。数值模拟计算的物理力学参数选取，按照已有实验室实测的抗压抗拉及弹性模量的数值[5]，具体见表2所示。模型整体采用摩尔库伦破坏准则，揭示不同侧压力系数巷道开挖后巷道围岩变形特征、围岩塑性区分布规律以及围岩最大应力的分布规律，围岩应力侧压系数选取为0.6、1.0、1.4三种。

表2 煤岩物理力学参数表

3 数值模拟结果与分析

3.1 巷道围岩应力规律

不同侧压系数下的不同断面形状的巷道围岩垂直应力最大值比较，如图2所示。

图2 巷道围岩最大应力比较

根据巷道围岩最大应力模拟结果可知，当围岩应力侧压系数为0.6时，矩形巷道、圆形巷道、椭圆形巷道、直墙半圆拱形巷道垂直应力最大值分别为 11.73MPa、11.08MPa、11.12MPa、11.42MPa；当围岩应力侧压系数为1.0时，矩形巷道、圆形巷道、椭圆形巷道、直墙半圆拱形巷道垂直应力最大值分别为 10.82MPa、10.37MPa、10.23MPa、10.61MPa；当围岩应力侧压系数为1.4时，矩形巷道、圆形巷道、椭圆形巷道、直墙半圆拱形巷道垂直应力最大值分别为9.28MPa、9.30MPa、9.00MPa、9.16MPa。

从应力比较曲线可知，巷道断面形状相同的情况下，侧压系数越大，巷道围岩所受的垂直应力最大值越小。以矩形断面为例，侧压系数取0.6时的垂直应力最大值较侧压系数取1.4时的最大值高26.4%；在侧压系数取相同值的情况下，比如均取0.6或1.0时，矩形断面围岩所受垂直应力值最大，其次是直墙半圆拱形巷道、圆形巷道、椭圆形巷道，而取值为1.4时，垂直应力最大值为圆形和矩形断面，最小为椭圆形断面。出现这种变化的原因是弧形断面形状能够承受较大的应力作用，而随着侧压系数的增加，巷道围岩所受的水平应力逐渐大于垂直应力，巷道受水平方向的挤压较严重，导致垂直应力峰值随侧压系数增加而减小。

3.2 巷道围岩变形特征

不同侧压系数下的不同断面形状的巷道围岩变形最大值统计如图3所示。

图3 巷道围岩变形统计

从顶板下沉量来看，当侧压系数大于1.0时，圆形断面＜椭圆形断面＜矩形断面＜直墙半圆拱形断面；当侧压系数小于1.0时，矩形断面＞直墙半圆拱形断面＞椭圆形断面＞圆形断面。从底鼓量来看，矩形断面最大而直墙半圆拱形最小，当侧压系数小于1.0时，椭圆形断面＜圆形断面；当侧压系数大于1.0时，圆形断面＜椭圆形断面。从两帮移近量来看，整体趋势均是圆形断面最大，其次是矩形断面，之后直墙半圆拱形大于椭圆形。整体而言，当侧压系数小于1.0时，椭圆形断面巷道的位移情况是最小的，其次是直墙半圆拱形断面，最大是矩形断面；当侧压系数大于1.0时，椭圆形断面巷道位移情况还是最小，其次是圆形，最大还是矩形断面。由此可以看出，围岩侧压系数对不同断面形状巷道的位移情况影响非常大。

3.3 巷道围岩塑性区分布

不同侧压系数下的不同断面形状的巷道围岩塑性区发育情况如图4所示。从巷道围岩塑性区发育统计结果可知，当侧压系数取0.6时，矩形断面顶板塑性区发育约为1.7m、底板塑性区约为1.5m、两帮塑性区约为2.0m，圆形断面顶板塑性区发育约为0.3m、底板塑性区约为0.5m、两帮塑性区约为2.6m，椭圆形断面顶板塑性区发育约为1.7m、底板塑性区约为1.5m、两帮塑性区约为1.4m，直墙半圆拱形断面顶板塑性区发育约为0.6m、底板塑性区约为1.6m、两帮塑性区约为1.7m；当侧压系数取1.0时，矩形断面顶板塑性区发育约为2.2m、底板塑性区约为2.3m、两帮塑性区约为2.0m，圆形断面顶板塑性区发育约为1.8m、底板塑性区约为1.7m、两帮塑性区约为2.0m，椭圆形断面顶板塑性区发育约为2.0m、底板塑性区约为2.1m、两帮塑性区约为0.7m，直墙半圆拱形断面顶板塑性区发育约为1.6m、底板塑性区约为2.0m、两帮塑性区约为0.5m；当侧压系数取1.4时，矩形断面顶板塑性区发育约为3.7m、底板塑性区约为3.5m、两帮塑性区约为1.4m，圆形断面顶板塑性区发育约为3.0m、底板塑性区约为2.9m、两帮塑性区约为1.6m，椭圆形断面顶板塑性区发育约为3.4m、底板塑性区约为3.2m、两帮塑性区约为0.5m，直墙半圆拱形断面顶板塑性区发育约为3.0m、底板塑性区约为3.5m、两帮塑性区约为1.0m。

综上所述，从巷道围岩应力、位移、塑性区发育情况来看，侧压系数越大，巷道围岩承受的应力越大，围岩塑性变形情况也越严重；从巷道断面情况来看，椭圆形巷道是破坏情况最少的，其次是圆形和矩形巷道，而椭圆形和直墙半圆拱形巷道围岩破坏不均匀，选取时应特别注意。木瓜煤矿回采巷道全煤巷掘进，侧压系数大于1.0，掘进时应首先选择椭圆形或圆形巷道，但从尽快形成回采系统方面考虑，矩形巷道掘进更快，成巷率更高，更能够适应木瓜矿井工作面实际情况。

图4 巷道塑性区发育特征

4 结论

回采巷道断面的选择与巷道所受围岩应力状态有很大联系，随着侧压系数的增大，巷道受水平方向的挤压越严重，表现为顶底板破坏较发育；对矩形、圆形、椭圆形、直墙半圆拱断面分析可知，圆形断面和矩形断面围岩破坏较为均匀，椭圆形和直墙半圆拱形断面四周围岩破坏有差异，矩形断面的掘进速度和成巷率比圆形断面大。研究结果显示，在实际生产中可以优先选取矩形断面，为木瓜煤矿工作面掘进工作提供了指导。