近距离下煤层巷道布置位置对应力场影响模拟分析

2019-04-28毛亮

煤 2019年4期

毛亮

(长治市煤炭安全信息调度中心，山西长治 046000)

在煤矿生产中，巷道布置和维护一直都是相关学者关注和深入研究的课题，康红普院士等[1-2]提出的整套巷道支护技术在常村煤矿得到验证，并在全国范围内推广应用；何满朝院士等[3-4]提出的负泊松比锚杆对巷道支护维护起到了划时代的意义；赵志强等[5-6]提出的巷道破坏蝶形理论对巷道破坏围岩失稳的研究起到了丰富理论和实践促进作用；王志强等[7]对相邻工作面巷道位置的不同错距进行了数值模拟研究，最终根据数值模拟结果确定了合理错距为2 m，并在现场应用中得到了有效验证；秦忠诚等[8]采用理论分析和数值模拟的方法对非规整地质采矿条件下的巷道布置位置进行了分析，最终根据采场应力变化规律确定了巷道布置的最佳位置；姚少武[9]分析了近距离煤层开采条件下，下煤层巷道的合理方位和巷道支护形式，确定了巷道的支护参数；尚奇[10]分析了采场应力和支护形式对巷道应力分布特征的影响，发现巷道采用分级支护对巷道的维护有较好效果；王玉怀等[11]采用理论分析和FLAC3D数值模拟的方法对煤矿近距离开采巷道围岩变形规律和特征进行了研究，发现进入重复采动影响区内大约10～15 m巷道的变形量增大，下煤层巷道应布置在煤柱边缘水平距离16 m的采空区下；魏炜杰等[12]对急倾斜水平分段综放开采的巷道布置采用数值模拟的方法进行了分析，发现采放比是影响巷道变形和失稳的主因，在开采过程中应严格控制采放比；胡少轩等[13]对近距离煤层同采后的应力环境进行了理论分析和现场实测，通过数据对比分析得出应力环境的变化是一个活跃—趋稳—活跃—趋稳的充分变化过程，根据应力环境变化的周期性规律可采用分段分期加强支护和合理安排采掘活动。

本文拟采用数值模拟的方法，对上煤层开采后下煤层回采巷道合理布置位置进行分析，假定理想的煤层地质采矿条件，假设上下煤层都是水平煤层，煤层间距为8 m。

1 力学模型的确定

在进行数值模拟分析中力学模型和模拟软件的选择是整个模拟试验成功与否的关键，在选择力学模型时首先必须考虑模拟的目的、模拟工程材料和模拟的力学环境。本次模拟的是矿山离散体，应力环境属于均匀连续应力场，对比众多模拟软件的特点和优势，最终确定选择FLAC3D数值模拟软件。FLAC3D模拟软件是美国的ITASCA公司开发的，软件具有多种数学和力学模型可供选择，而且为研发人员提供了可嵌入的力学模型和数学算法接口，方便使用和丰富开发。其中包括的数学经典模型有：Mohr-coulomb、拉格朗日、西里斯迪、库彼汐；包括的弹性力学模型有：各向同性、横观各向异性和正交各向异性等；非线性模型有：Drucker-Prager、Mohr-Coulomb、应变硬化及应变软化、节理化、双线性应变硬化/软化节理化、双屈服、修正的 Cam-clay模型。本计算模型按照平面应变问题处理，计算中材料本构关系采用考虑塑性流动特性的Mohr-coulomb模型，同时假定各岩层岩性均匀且各向同性。

2 数值模型的建立

未消除边界效应的影响，在模型的下边界和水平垂直边界都留有20 m的缓冲区，建立模型尺寸为180 m×100 m，模型总单元数为192 341个，根据模拟不同位置的精度要求划分成小模型尺寸，模型共划分了11个小模型，保证模拟结果的精度。建立的数值模拟模型如图1所示。模拟过程中，在模型上边界施加由上覆岩层自重引起垂直应力为q=γH=7 MPa，水平的应力系数取值根据埋深进行梯度取值，总体取值水平应力是垂直应力的1.15倍。模型中共布置两层煤，上煤层(1煤)与下煤层(2煤)，煤层间距设置为8 m。

图1 数值模拟原始模型

3 模拟结果分析

3.1 垂直应力分析

对上煤层开采后，在距煤柱中心线分别为0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m和35 m处开挖下煤层回采巷道的应力进行数值模拟，垂直应力云图如图2所示。由图2可得：

1) 上煤层开采后，采场的垂直应力集中区域存在于煤柱及煤柱下方，因此在煤柱下方开掘巷道时，巷道处于较高的垂直应力集中，应力集中系数达到4.9；在煤柱边缘(即距离煤柱中心线10 m)开掘巷道时，巷道右帮已位于采空区下方的垂直应力降低区域，垂直应力显著降低，左帮应力集中程度也有一定的降低；在距离煤柱中心线大于等于15 m开掘巷道时，巷道完全位于采空区下方，巷道两帮垂直应力都处于应力降低区内，两帮最大垂直应力为6 MPa左右，明显低于原岩应力值。

2) 由于煤柱的支撑作用，煤柱两侧采空区顶板不能完全下沉冒落，采空区一侧存在悬空区域，下煤层垂直应力很小，当继续靠近采空区中心时，上煤层采场顶板下沉将压力传递到底板，下煤层垂直应力开始上升，在距离煤柱中心线35 m左右的地方，巷道两帮垂直应力开始上升。