某煤矿沿空掘巷工作面煤柱宽度影响数值模拟

赵云峰

（中煤新集能源股份有限公司）

目前，煤矿企业多采用沿空掘巷方式进行回采巷道布置，既提高煤炭回采率，同时减少巷道布置的施工投入［1-2］。留小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离，但随着矿井开采深度的增大，护巷煤柱宽度越来越大，使得煤炭采出率降低，同时又不利于防治煤壁片帮和煤炭自燃等灾害［3-5］。

采用沿空掘巷进行布置的区域，其周边围岩应力环境与围岩破碎情况与常规回采巷道相比，具备应力低、易支护、掘进难度小的优点［6-8］。由于留设煤柱宽度直接影响巷道稳定性，因此，确定合理的煤柱宽度是沿空留巷设计的关键问题。

1 沿空掘巷煤柱变形影响因素

由于井下现场环境不稳定、空间有限，因此采用室内实验的方式对所选煤岩样品进行测试，可以准确地反映煤样受力特征，便于分析其强度与变形规律，为井下煤柱留设提供有效的参考［9］。

窄煤柱变形主要与以下2个因素有关。

（1）巷道顶板移动与稳定性。当大结构处于运动或不稳定状态时，将会引起窄煤柱上载荷的增加，使窄煤柱的变形进一步加大；而该结构处于相对稳定状态时，载荷可认为是恒定的，此时窄煤柱的变形只与其承载能力有关。

（2）窄煤柱的支护强度。采用锚杆支护时，可以通过锚杆对其锚固范围内围岩强度的强化，为窄煤柱提供一定的侧向约束，使窄煤柱的承载能力提高，在一定程度上抑制窄煤柱向巷道内的位移。

2 数值模拟方法

2.1 有限元分析软件ANSYS

作为一个大型CAE分析软件，ANSYS自20世纪70年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到广泛的应用［10］，随着版本的更新，分析能力和各项操作功能都得到了更好的完善和发展（图1），它是融结构、流体、磁场、电场、声场等分析与一体的大型通用有限分析软件［11］。

2.2 有限差分FLAC3D基本原理介绍

FLAC3D与基本离散元法相似，但克服了离散元法的缺点，吸收了有限元法适用于各种材料模型及边界条件的非规则区域连续问题的优点［12］。

2.3 模型的基本设计原则

（1）构建模型时突出影响煤柱和巷道稳定的主要因素，要对模型各因素进行概化，分清主次，并尽最大可能考虑其他一些次要的因素，以尽量达到与工程实践接近。

（2）模型赋值时，要结合工程现场及实际力学特性，反映岩层自然条件下的分层结构。

（3）在数值模拟过程中无法充分考虑地下工程的全尺度范围，因此，建立的模型必须要有比较合理的边界条件。

3 模型与赋值

3.1 模型的建立

在建立模型时，主要考虑在某煤矿采空区的一侧进行沿空掘巷工程，此时采空区基本处于稳定状态。首先对沿空掘巷围岩的应力应变进行分析，其次主要考虑不同煤柱宽度对巷道围岩应力应变以及变形的影响，最后在特定的煤柱宽度下对巷道的支护方法和巷道的断面提出合理的建议。由于模拟的是采空区和沿空掘巷的工程实践，在充分考虑采空区对整个岩层围岩变形的影响后，建立如下模型：模型的大小为160 m×100 m×2 m，假设顶板充分垮落，采空区压实，模拟采空区冒落矸石的各项岩层参数为顶板的0.1［13］。井下巷道埋深830 m，在模型中赋值相应的地层压力，采用零位移的方法来确定模型的底边界和左右边界，即水平位移设置为零，垂直位移不为零。利用ANSYS对模型进行建立及网格划分，依据现场实际地质情况，模型建立时倾斜8°（左低右高），再导入FLAC3D进行力学特性的赋值，其模型如图2所示。

3.2 力学参数确定

根据相关地质资料及相关岩石力学实验结果，确定煤层和主要岩层的物理力学参数，有关力学参数计算关系式［14］如下。

式中，G为剪切模量，MPa；K为体积模量，MPa；E为弹性模量，MPa；μ为泊松比。

沿空回采巷道埋深在830 m左右，模型上方的垂直应力由上覆岩层的自重应力产生，其计算公式为

式中，γ为岩层密度，kg/m3；H为巷道埋深，m。

经计算，模型上方施加的应力值σG=2 500×10×765=19.125（MPa）。

取侧压系数为1进行应力加载，在模型运算时，因为模型的均质性与实际情况存在差异，因此人为对数据进行折减，通过计算获得减小因子计算公式［15］

通过计算，得到各煤岩体的减小因子（表1）及沿空回采巷道周围岩体的物理参数（表2）。

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4 数值模拟结果分析

4.1 侧方实体煤支承压力和位移分析

通过数值模拟软件，在煤层中部设监测线，经过数据的提取和处理，得到距离上部采空区一定距离的水平应力和垂直应力，应力曲线变化趋势见图3。对上区段工作面的开采过程中，破坏了采场围岩应力的初始平衡，使得回采期间四周的岩层应力进行重分布，煤层开采后在采空区上部形成一个起着关键作用的弧形三角结构，采空区上覆岩层将形成一个新的平衡支撑点，以达到应力平衡。

由于受到上部的采空区影响，竖直应力整体呈现出先增大然后减小的趋势，峰值出现在距离采空区11 m的地方，根据垂直应力的特点，可以分为以下3个区。

（1）应力减低区。由垂直应力变化趋势（图4）可以看出，在距离采空区0～8 m，所承受应力比原岩应力低的区域，称为应力降低区。该区域的应力比较低，是由于在煤层回采后，煤体边缘在高应力的作用下，造成煤体塑性屈服，形成比较明显的裂痕，从而造成围岩的承载力降低。

（2）应力增高区。在距离采空区8～30 m为应力升高区，应力峰值距离采空区边界11.9 m，其峰值为47.9 MPa。

（3）原始应力区。在支承压力达到峰值后，对煤体的影响开始减小，最终在距离采空区一定距离后缓慢进入原始应力状态下。

4.2 不同煤柱宽度下回采巷道模拟分析

在采空区侧方围岩应力重新达到平衡后，由于新掘巷道的施工，会打破原来已经达到的平衡状态，造成应力的二次分布。通过FLAC3D模拟出不同煤柱宽度下的巷道围岩水平应力和垂直应力，并在模型中心设置1条水平测线，以观测在水平测线的垂直应力和水平应力数据大小情况，其垂直应力分布云图和水平应力分布云图如图4和图5所示。

根据不同煤柱宽度下的围岩竖直应力分布云图（图4），在沿空巷道掘进后，可以得出围岩的竖直应力分布具有下面几个主要特征。

（1）竖直应力的峰值随护巷煤柱宽度变化而变化，煤柱内的竖直应力峰值出现的位置随煤柱的宽度增加而缓慢靠向采空区，且峰值越来越大。

（2）在巷道的水平方向，竖直应力变化比较大，尤其是沿实体煤方向，竖直应力增加趋势比较大，在距离巷道中心一定距离形成一个应力集中区，这是新的支承压力形成所造成的。

（3）巷道开挖后，造成其围岩应力重新分布，其原来所承受的竖直应力发生了应力转移，使巷道所处的应力环境降低。

（4）对于不同宽度的煤柱，巷道围岩的竖直应力变化比较缓慢，新形成的支承压力所形成的应力集中位置也基本相同。

由图5可以得出围岩的水平应力分布具有下面几个特征。

（1）巷道水平应力趋于巷道的中心垂线呈对称分布，在距离巷道中心位置一定距离内，巷道围岩的水平应力也与水平的中心线大致呈现对称分布。

（2）巷道所承受的水平应力从采空区边缘到应力峰值出现位置是两头大、中间比较缓。

综上可以看出，在沿空巷道开挖后，巷道周围的围岩应力重新分布，不同的煤柱周围应力峰值大小和位置也发生了明显的变化，煤柱宽度的合理范围在5 m左右。

5 结 论

（1）上部采空区的采动会引起巷道围岩应力的重新分布，在采空区侧方实体煤中形成1个应力集中区，这个区域距采空区11 m左右处，确定巷道位置时应避开此区域。

（2）巷道中无论是垂直应力还是水平应力均以巷道中心线基本呈现出对称分布。不同煤柱宽度下，巷道的垂直应力基本都大于巷道的水平应力。

（3）在采空区侧方实体煤体中，距离采空区11 m左右处于应力集中区，在此处布置巷道，维护最困难。在确定合理的煤柱宽度时，应尽可能保证巷道的收敛变形量较小，使煤柱中心存在的位移量也比较小，且比较稳定。遵照有利于巷道维护和节约资源的原则，煤柱宽度应留设为5 m。