煤矿巷道底臌的模拟分析<br/>——以高河煤矿为例

煤矿巷道底臌的模拟分析
——以高河煤矿为例

2020-07-02石建军高林生冯吉成朱权洁

河北科技师范学院学报 2020年1期

石建军，高林生，冯吉成，彭瑞，朱权洁

(华北科技学院安全工程学院，河北三河，065201)

巷道的底臌变形是煤矿巷道支护中经常遇到的问题，底板的臌起变形与破坏常常导致巷道支护困难、断面缩小，增大了通风的阻力，严重时甚至导致巷道整体报废，严重威胁矿山的安全并影响生产。因此，研究回釆巷道的底臌机理并制定切实可行的治理措施是迫切需要攻克的难题。如何治理巷道底臌成为很多煤矿面临的主要难题[1～9]。为此，笔者以高河煤矿为例，建立数值模型，探讨造成煤矿巷道底臌机理、影响因素及解决办法。高河煤矿E2305工作面回采过程中胶带巷出现了严重变形，巷道底臌量达1.2 m，导致巷道断面不足，需要持续进行拉底才能保障巷道使用，影响了工作面推进进度，尤其是治理巷道底臌是亟待解决的问题。

图1 高河煤矿E2305工作面布置示意图

1 高河煤矿巷道情况

高河煤矿E2305工作面回采过程中胶带巷道布置见图1。工作面直接顶为5.13 m厚的泥岩，老顶为2.30 m厚的粗粒砂岩和1.42 m厚的中粒砂岩，直接底为3.79 m厚的粉砂岩和4.55 m厚的砂质泥岩，老底为1.33 m厚的细粒砂岩。支护参数见图2。

2 数值模型的建立

由于受到E2303 工作面侧向支承压力的作用，煤柱帮在E2305 工作面回采时的受力将产生应力集中，从而导致应力峰值和应力峰值位置发生变化。为进一步确定E2305 工作面胶带巷两侧应力分布情况，建立FLAC3D数值模型，计算E2303 工作面和E2305 工作面回采过程中胶带巷围岩应力的分布和峰值，为分析E2305 工作面巷道底臌原因提供参考[10，11]。

图2 高河煤矿E2305支护断面图

模拟采用FLAC3D，选用摩尔—库伦模型，并根据实际情况进行适当的简化，建立的模型尺寸为长×宽×高=200 m×300 m×71 m，对模型下部和四周边界进行约束，上部边界为自由边界，其施加的力等同于上覆岩层的质量，则垂直应力按深度467 m，容质量25 kN/m3计算，得出为11.675 MPa，水平侧压系数为0.8。

模型的岩层分类及力学参数见表1，建立的模型见图3。

表1 高河煤矿的岩石力学参数

图3 高河煤矿岩层模型示意图

3 数值模拟分析

3.1 煤柱帮应力变化

根据建立的三维数值模型，模拟E2303 和E2305 工作面分别开采时煤柱的应力和塑性区演化过程。模型x方向的长度为200 m，以x=90 m为观测截面，模拟E2303开挖后，E2305 工作面分别推进20,40,60,80,100,120,140 m时E2305 工作面胶带巷煤柱帮应力分布情况。模拟方案见图4。

图4 高河煤矿E2303和E2305工作面模拟方案

E2305工作面在推进20，80，120 m的煤柱上方应力分布情况和工作面上方水平切面应力分布情况见图5～图7。分析可知，E2303工作面回采过后，E2305 工作面还未回采时，煤柱帮的应力峰值在靠近E2303 工作面5.2 m位置，应力峰值为33.2 MPa。随着E2305工作面推进至60 m，煤柱帮的应力开始由单峰分布向双峰分布发展，E2305 胶带巷侧煤柱应力峰值为26.5 MPa；在E2305工作面推进100 m后，煤柱帮的应力演化为双峰分布，煤柱核心区域存在一定宽度的弹性区，承载能力较强，E2305胶带巷的应力峰值为37.5 MPa，距离巷帮5.6 m。

图5 高河煤矿E2305工作面推进20 m时煤柱帮应力分布情况

图6 高河煤矿E2305工作面推进80 m时煤柱帮应力分布情况

图7 高河煤矿E2305工作面推进120 m时煤柱帮应力分布情况

3.2 工作面侧巷帮应力分布情况

为了分析工作面前方煤岩体受采动影响规律，根据上述数值模型，分析工作面前方煤岩体应力分布特征，工作面前方部分距离处垂直应力和水平应力分布见图8～图10。图中巷道的左侧为E2305工作面胶带巷，右侧为E2305工作面。左图为垂直应力分布，右图为水平应力分布。由垂直应力的影响范围和分布规律可知：E2305工作面采动影响下，工作面前方煤岩体内的垂直应力大小随着距回采工作面距离的增加呈现先增加后减小的变化趋势，垂直应力的峰值点位置距离工作面20 m，最大垂直应力达到28.4 MPa，应力集中系数2.52，图中原岩应力根据煤层的埋深450 m计算确定为11.25 MPa，垂直应力在工作面前方的影响范围在0～30 m之间；垂直应力在右侧的E2305工作面内的侧向影响范围随着距工作面距离的增加也呈现先增大后减小的变化趋势，最大侧向影响范围达到约30 m，且发生在距离工作面20～30 m的范围内。

E2305工作面采动影响下，工作面前方煤岩体内的水平应力大小随着距工作面距离的增加呈现先增加后减小的变化趋势，垂直应力的峰值点位置距离煤壁8～35 m，最大垂直应力达到28.5 MPa，原始水平应力为9 MPa，应力集中系数3.16，水平应力在工作面前方的影响范围在0～30 m之间，这也恰恰是底臌开始显现的位置；水平应力在右侧实体煤内的侧向影响范围随着距工作面距离的增加也呈现先增大后减小的变化趋势，最大影响高度达到大约30 m，且发生在距离工作面10～45 m的范围内。

根据数值模拟可以得出，巷道两侧的峰值应力分别为28.4 MPa(E2305工作面侧)和37.5 MPa(煤柱侧)，应力峰值均较高，巷道面临着高垂直应力作用。同时，受到两个工作面的采动影响，巷道的水平应力也处于一个较高的水平，水平应力对底板岩层形成挤压作用，造成底板岩层向临空面(巷道)弯曲和破断，导致巷道底臌严重。