沿空留巷围岩应力分布的数值模拟

武少鹏

(潞安集团 生产处，山西 长治 046204)

随着煤矿生产规模的增大和开采深度的增加，矿井地质条件和开采技术条件日趋复杂，造成煤炭资源回收率降低、维护顶板和治理瓦斯的工程及成本成倍增加、矿井采掘衔接紧张等一系列问题。近年来，许多煤矿积极引进沿空留巷技术，对提高煤炭资源回收率、缓解采掘衔接、延长矿井服务年限有积极的现实意义，同时也为采掘工作面顶板维护和瓦斯治理提供了技术支撑[1-5]。本文以李村煤矿2302工作面为例，运用数值模拟软件对沿空留巷围岩应力进行计算分析，为合理确定巷旁墙体宽度提供理论依据。

1 工程概况

李村煤矿是潞安集团的一座现代化大型矿井，生产能力为300万t/a，属高瓦斯矿井。依据矿井采掘衔接计划和沿空留巷的实施要求，2302工作面和2303工作面采用联合布置，对2302工作面辅助进风巷进行沿空留巷，保留下来的巷道作为2303工作面的进风巷。2302工作面采用“两进一回”的Y型通风系统，其运输巷和辅助进风巷进风，回风巷采用2302工作面回风巷和以“沿空留巷”方式保留下来的2302工作面辅助巷。2302和2303工作面布置方式见图1。

图1 2302和2303工作面布置

2 沿空留巷围岩应力分布的数值模拟

2.1 基础参数

2302工作面采用一次采全高综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板；工作面长度为285 m，推进长度为730 m。开采煤层为沁水煤田3号煤层，平均厚度为4.6 m；顶板岩石类别为粉砂岩(硬度5～7、厚度4.5 m)，炭质泥岩(硬度1～3、厚度0.25 m)，砂质泥岩(硬度1～3、厚度0.9 m)，细粒砂岩(硬度5～7、厚度4 m)；底板岩石类别为炭质泥岩(硬度2～5、厚度1.4～1.9 m)、砂质泥岩(厚度0.80 m)。

2.2 模型建立

本文采用FLAC3D数值模拟软件建立计算模型，以2302工作面的地质参数和几何参数为依据，确定模型尺寸为400 m×800 m×150 m，如图2所示。计算模型本构关系采用摩尔-库仑准则，位移边界约束，四周设置为铰支，底部设置为固支，上部为自由边界。并施加上覆岩层自重荷载11.25 MPa，水平施加渐变荷载，应力梯度为0.025 MPa/m。

巷旁墙体宽度是沿空留巷的重要参数，本次模拟建立5个计算模型，对应的巷旁支护墙体宽度为1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m，分别模拟不同巷旁墙体宽度条件下巷道围岩应力分布规律。

图2 沿空留巷计算模型

2.3 模拟结果分析

1) 垂直应力分布规律。不同巷旁墙体宽度条件下巷道垂直应力分布云图如图3所示，巷道两帮内垂直应力分布曲线如图4所示。

由图3可以看出：不同宽度的巷旁墙体，沿空留巷围岩垂直应力分布基本一致，即顶、底板围岩应力呈“半椭圆”分布，由围岩浅部至深部逐渐增长；实体煤帮内的垂直应力在围岩浅部呈“近线性”关系增长至峰值，而后在围岩深部呈“负指数”关系减小；巷旁墙体内的垂直应力由浅部至深部先增大后减小。

由图4可以看出，巷旁墙体宽度由1.2 m增加至2.0 m过程中，底板内应力分布基本无变化；顶板左上侧和右上侧应力呈增加趋势，且顶板与采空区连接处的应力逐步降低；墙体宽度为1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m时，实体煤帮内对应的应力峰值为32.58 MPa、32.68 MPa、33.68 MPa、33.04 MPa和32.76 MPa，垂直应力集中区距煤帮表面3.5～5.0 m；巷旁墙体内垂直应力峰值呈“抛物线”型下降趋势，应力分布得到明显改善，应力峰值位于巷旁墙体的中部或右侧角。

图4 不同巷旁支护墙体宽度时沿空留巷两帮内垂直应力分布曲线

通过对不同墙体宽度沿空留巷两帮垂直应力峰值进行统计分析，沿空留巷两帮垂直应力峰值变化曲线如图5所示。

图5 不同巷旁墙体宽度时沿空留巷两帮垂直应力峰值变化曲线

由图5可知，实体煤帮内应力峰值较稳定，且垂直应力峰值距煤帮表面距离基本一致。巷旁墙体内垂直应力峰值呈“抛物线”形减小；巷旁墙体宽度为1.2 m时，墙体内垂直应力增长最快，且应力峰值也最大；随着墙体宽度的增大，应力峰值逐步减小并趋于稳定。

2) 巷旁墙体内的应力演变规律。随着工作面推进，采场矿压显现处于动态变化过程，导致巷旁墙体内的应力状态随着在采场中空间位置的变化而不断变化，通过模拟得到巷旁墙体内垂直应力演变规律，如图6所示。

由图6得出，巷旁墙体内垂直应力演变过程分为4个区：上升区、峰值区、过渡区和稳定区。上升区从工作面开始直至达到应力峰值，上升区宽度约36 m；峰值区为巷旁墙体内垂直应力峰值区域，其宽度约100 m；过渡区的垂直应力呈线性递减，其宽度约46 m；采场岩层运移趋于稳定后，巷旁墙体内垂直应力逐步稳定，该区域垂直应力稳定，滞后工作面182 m。

图6 沿工作面推进方向巷旁墙体内垂直应力分布云图

3 结 语

1) 通过对沿空留巷巷旁垂直应力统计分析得出：不同巷旁墙体宽度，沿空留巷围岩垂直应力分布基本一致。随着巷旁墙体宽度的增大，底板内应力分布基本无变化；顶板左上侧和右上侧应力呈增加趋势，且留巷顶板与采空区连接处的应力逐步降低；实体煤帮内应力峰值较稳定；巷旁墙体内垂直应力峰值呈“抛物线”型下降趋势。基于沿空留巷围岩垂直应力分布状态和巷旁墙体实施的经济合理性，本工作面巷旁墙体的宽度设置为1.6 m比较合理；同时为其他类似工作面沿空留巷确定巷旁墙体宽度提供了参考。

2) 通过对沿空留巷巷旁墙体内的应力演变过程分析得出：巷旁墙体内垂直应力演变过程分为上升区、峰值区、过渡区和稳定区，为工作面推进过程中，沿空留巷不同区域的临时补强支护措施提供了依据。