不同应力作用下巷道围岩变形的数值模拟分析

2021-03-22申强

煤 2021年3期

申强

(山西煤炭运销集团晋城有限公司，山西晋城 046031)

随着煤炭科技水平的不断发展，采煤生产的装备水平得到了快速提高，大吨位综采支架、电控液压支架等先进支护装备得到了广泛应用，巷道断面、交岔点跨度呈现增大趋势，这为巷道锚固支护技术提出了新的挑战。而综采工作面巷道服务年限较短，根据其所在煤层赋存特征、围岩特性、功能、构造等因素影响，如何在确保安全的前提下，根据采动影响下巷道围岩发生的应力变化，分段落优化支护设计，尤其是对局部巷道围岩稳定段合理扩大支护间排距，从而提高掘进速度、降低巷道支护成本，已成为一个新的课题。本文以首阳煤业15203工作面为例，对不同应力条件下，巷道围岩发生的变形进行模拟分析，旨在为分段落优化支护提供理论支撑。

1 工作面概况

首阳煤业是山西煤炭运销集团兼并重组整合矿井，井田面积14.996 km2，批准生产能力90万t/a，主采山西组3号煤层和太原组15号煤层，矿井绝对瓦斯涌出量1.41 m3/min，属低瓦斯矿井。15203工作面位于首阳煤业矿井二采区，工作面东部为采区边界，西部为15202工作面实体煤，见图1。工作面主采15号煤层，煤层均厚4.4 m，煤层倾角2～8°。根据相邻工作面采掘过程中揭露情况推测，工作面西巷道掘进100 m可能揭露F18断层延伸段，掘进至615 m，可能揭露F23断层延伸段，因物探、钻探工作及现有技术手段的局限性，推测巷道前方可能存在陷落柱、断层等地质构造或其他异常情况，无岩浆活动，地质条件相对简单。

图1 15203工作面布置示意

2 数值计算模型的建立

通过对矿井已采15101、15102、15103和15104工作面矿压规律初步研究与总结，以及对15202工作面回采期间两巷道掘进支护情况进行分析，认定巷道开掘期间的二次应力分布和变化主要影响因素为埋深和留设煤柱宽度，次要影响因素为顶板岩性、地质构造(陷落柱、断层等)。此外，经过模拟及已采工作面煤柱留设论证及实践，15203工作面煤柱宽度确定为15 m。因此，本文采用FLAC3D模拟软件，在不同埋深以及对应不同构造应力条件下，对工作面巷道开掘期间的应力变化情况进行模拟探讨。

根据15203工作面实际工程地质条件构建数值模型，模型结构为：X方向长180 m、Y方向长200 m、Z方向长74.4 m，设定方向上侧压系数同为1.2，除上部边界外其余边界固支，即：前后、左右边界横向位移及速度为零，底部边界竖向位移及速度为零，重力加速度为9.81 m/s2，见图2。模型具体设计如下：①煤层顶板岩层厚度50 m，煤层厚度4.4 m，煤层底板20 m，模型高度(Z方向)共计74.4 m；②设计工作面推进160 m，两侧各留设20 m实体煤，共计推进方向(Y方向)为200 m；③拟定模拟相邻15202工作面回采及本工作面回采对巷道围岩变形影响，设定X方向为180 m。

图2 15203工作面数值计算模型

3 模拟结果分析

首先计算模型初始应力场至平衡，即依次开挖15202工作面进风巷道和15203工作面西巷道，开挖后立即进行相应支护，待应力平衡后，读取相应的巷道围岩位移量，作为反映采动影响前围岩稳定性的参考指标。然后依次模拟相邻工作面开挖、本工作面开挖对不同埋深、以及对应不同地质结构的巷道围岩稳定性的影响。

3.1 巷道埋深对巷道围岩稳定性的影响

根据钻孔资料和矿井地质报告，井田范围内15号煤层的赋存深度为60～300 m，本文中数值模拟按100 m、150 m、200 m、250 m和300 m不同巷道埋深情况进行考虑。采动影响前，巷道稳定性参考指标为：300 m埋深，巷道的顶底板移近量为5.61 mm、两帮移近量为11.17 mm。通过数值模拟，不同埋深情况下巷道围岩变形量，见图3和图4。由模拟结果可知：

图3 不同埋深条件下巷道顶底板移近量变化曲线

图4 不同埋深条件下巷道顶两帮移近量变化曲线

1) 不同埋深情况下，巷道顶底板及两帮围岩变形性呈现相同的变化趋势，当相邻工作面与巷道测点距离较远时，巷道围岩变形量很小，当相邻工作与巷道测点距离小于20 m时，巷道围岩变形量开始增加，当相邻工作面退过后，巷道围岩变形量持续缓慢增加一定时间达到稳定。

2) 本工作面回采过程中，当工作面与测点距离相对较远时，巷道围岩变形量变化很小，当工作面推进到距离测点30 m范围内时，巷道围岩变形量开始快速增大，直至工作面推进到测点位置时达到最大，此时可对巷道进行超前加强支护，以确保工作面端头的稳定。

3) 当巷道埋深为100 m、150 m、200 m、250 m、300 m时，巷道顶底板移近量最大值分别为：17.19 mm、27.59 mm、38.00 mm、55.22 mm和72.43 mm；巷道两帮移近量最大值分别为：7.11 mm、14.34 mm、21.57 mm、35.59 mm和49.60 mm。

3.2 构造应力对巷道围岩稳定性的影响

为了模拟构造应力变化对巷道围岩变形的影响，可以通过改变巷道围岩所受的侧压系数模拟构造应力的变化。本次数值模拟设定巷道埋深为200 m，对侧压系数取1.0、1.2、1.5、2.0、2.5时巷道围岩变形量进行分析。采动影响前，巷道稳定性参考指标为：顶底板移近量为10.45 mm、两帮移近量为9.81 mm。通过数值模拟，不同构造应力作用下巷道围岩的变形量，见图5和图6。由模拟结果可知：

1) 不同侧压系数情况下，巷道顶底板及两帮围岩变形性呈现相同的变化趋势，当相邻工作面与巷道测点距离较远时，巷道围岩变形量很小；当相邻工作与巷道测点距离小于20 m时，巷道围岩变形量开始增加；当相邻工作面退过后，巷道围岩变形量持续缓慢增加一定时间达到稳定。

3) 当侧压系数为1.0、1.2、1.5、2.0、2.5时，巷道顶底板移近量最大值分别为：30.40 mm、38.00 mm、47.50 mm、64.60 mm和83.60 mm，巷道两帮移近量最大值分别为：17.26 mm、21.57 mm、26.96 mm、36.67 mm和47.45 mm。