2-105工作面运输顺槽围岩位移和应力变化规律研究

沈 祥

（霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西 河津 043302）

煤矿的开采改变了原岩地应力场与位移场，使得围岩应力重新分布，应力密集区的高应力会造成煤炭开采巷道的变形破坏，围岩应力场与位移场的分布规律研究对煤矿的安全开采至关重要[1-2]。随着计算机体系的发展与成熟，数值模拟软件逐渐应用于矿山数值分析中，通过FLAC3D数值模拟，不仅可以定量分析覆岩应力场[3]，而且极大地提高了计算效率与精度，将模拟计算结果反馈于生产实践，可为煤矿的安全开采提供重要的理论依据。

1 工程地质概况

霍煤腾晖煤矿2-105工作面位于井田南部，开采煤层属山西组2#煤层，煤层结构简单，赋存稳定，平均厚度为5.0m。巷道围岩与顶板以砂岩、砂质泥岩为主，基本顶为中粒砂岩，平均厚度 9.50m左右，钙质胶结，富集云母碎片；直接顶为砂质泥岩，平均厚度11.8m左右，水平层理，植物化石碎片富存；直接底为粉砂岩，厚度13.3m，呈深灰色，粉质砂状结构，致密，性脆，含碳化面，中部夹有灰岩薄层，厚度约0.1m；基本底为细粒砂岩，平均厚度4.1m左右，交错层理，钙质胶结。主要含水层为K8砂岩含水层裂隙水及奥陶系灰岩水，其富水性弱且易于疏干，2-105工作面运输顺槽掘进施工范围内煤层赋存条件较好，无影响掘进施工的采空区与断层构造，不受采空区积水威胁。

2 数值模型的建立

2.1 岩体力学参数的确定

根据2-105工作面地质柱状图与钻孔勘探报告，对煤层附近各岩性取样并进行实验参数测定。实测各岩性岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数表

2.2 模型的建立

沿底板垂直走向建立巷道莫尔一库仑本构简化模型，其中，x、y轴分别代表巷道走向方向与法线延伸方向，模型的边界设定为底部与左右两侧约束，上部自由，初始应力场为自重应力场，整个模型由28021个节点数和 23166个单元数构成。巷道模型简化如图1所示。

图1 巷道简化模型图

2.3 监测点的选取

监测点的选取直接影响到试验的准确性，因此，对测点的拟定，不仅要满足随机性，还应考虑到在工程实践中对该测点进行应力位移实时监测的难度与可行性。鉴于以上各因素，拟在掘进工作面前方顶板上，沿工作面掘进方向布置3个测点作为试验对象。各测点在沿工作面掘进的法线方向按随机离散原则布置，相邻测点的水平间距为30m。为便于试验的研究，对测点进行编号，各测点的三维坐标分别为A（75，3.4，-322），B（105，2.1，-322），C（135，1.9，-322）（假定地面标高为0）。在自重应力的作用下，掘进引起的应力、位移变化量主要以沿x轴方向的水平位移与沿z轴方向的铅直位移为主，故在现场监测中，将各个测点的x方向上与z方向上的位移变化量作为主要监测目标。

3 模拟计算效果分析

3.1 数值模拟计算内容

为得出霍煤腾晖煤矿2-105运输顺槽在不同开采进度条件下围岩应力分布情况与位移的变化规律，主要从以下几个方面进行数值模拟计算：

（1）模拟、监测各待测点在随掘进工作面推进过程中顶板位移下沉量，分别记录当掘进进度为15m、30m、45m时顶板位移变形情况，并绘制位移变化折线图，与实测位移进行耦合，验证数值模拟的可行性。

（2）模拟计算巷道在不同掘进进度下顶板主应力的变化情况，生成在掘进距离分别为15m、30m、45m时巷道围岩及顶板的纵向应力云图，分析在不同掘进进度下巷道围岩体的应力变化趋势与规律。

3.2 模拟数据处理与效果分析

（1）位移模拟结果验证

通过FLAC3D进行数值模拟，得出掘进工作面各测点在沿z轴方向的铅直位移变化如图2所示。

图2 各测点位移变化折线图

由各监测点的纵向位移变化趋势可知，顶板位移变化增量由高到低依次为测点A、测点B、测点C。根据各测点的分布情况，可以得出，随掘进距离的增大，距离开切眼越远的顶板，其变形量与下沉量越小，而开切眼附近的岩体位移变形量较大，若没有及时的支护，极易引起剧烈下沉的现象，施工时，应做好顶板维护工作。

各测点位移实测数据与模拟数据对比见表2所示。

表2 各测点实测位移与模拟位移对比表

由各测点实测位移与模拟位移的对照可知，模拟数据与实测数据的平均误差≤0.03cm，误差较小，满足试验要求，故认为模拟结果符合实际情况，FLAC3D模拟软件可用于掘进巷道中位移与应力变化规律的研究。

（2）应力模拟结果分析

应用FLAC3D软件建立数值分析模型，分别计算掘进工作面推进15m、30m、45m时巷道围岩及顶板的应力变化。纵向应力变化云图如图3、图4、图5所示。

图3 掘进距离为15m时顶板纵向应力云图

图4 掘进距离为30m时顶板纵向应力云图

图5 掘进距离为45m时顶板纵向应力云图

由各纵向应力云图可知，运输顺槽推进至15m、30m、45m时，工作面巷道出现的最大主应力分别为0.859MPa、0.635MPa和0.628MPa，巷道出现的最小主应力分别为10.44kPa、16.56kPa和18.00kPa。当工作面推进至30m范围区域时，巷道围岩开始出现明显的压应力，压应力值为15.2MPa。随掘进工作面的推进，巷道围岩压力值也随之增大，在工作面45m处，巷道围岩压力值达22.6MPa。

由数据分析可知，在运输顺槽初始掘进时，巷道主应力最大，说明在巷道初始掘进时，掘进工作面受到上覆岩层的挤压现象严重，已掘进区域承担着绝大部分上覆煤岩体的重力。随着掘进工作的持续进行，巷道最大主应力逐渐递减，巷道变形程度得到缓和，说明随巷道掘进区域的增大，承担上覆岩层重力的区域增加，减缓了“单区域”承重现象[4]。此外，在掘进距离不断增大的过程中，巷道压应力逐渐增大，此时，应做好围岩加固措施，防止煤岩壁片帮的出现。

4 结 语

（1）将霍煤腾晖煤矿2-105运输顺槽的位移实测数据与通过FLAC3D模拟计算的位移结果进行耦合，二者位移平均误差≤0.03cm，验证了FLAC3D数值模拟软件对于研究掘进巷道中位移与应力变化规律的可行性。

（2）基于FLAC3D的数值模拟结果，可得出在巷道初始掘进时，巷道主应力最大，随着掘进工作的持续进行，巷道最大主应力逐渐递减，巷道变形程度得到缓和。随工作面掘进距离的增加，巷道最大压应力逐渐增大，当掘进工作面推进至45m处时，围岩压力值可达22.6MPa，严重危害到巷道稳定性，极易引起顶板破碎和煤壁片帮的情况，此时应做好巷道围岩加固工作。