工作面过老巷受力变形数值模拟研究

2023-02-22魏启明杨宗泉王虎张海龙胡亚军刘玉德

当代化工研究 2023年23期

＊魏启明杨宗泉王虎张海龙胡亚军刘玉德

（1.国家能源集团宁夏煤业公司石槽村煤矿宁夏 750000 2.华北科技学院矿山安全学院河北 065201）

随着不断延伸的矿井资源进行整合与开采，许多煤矿在设计采煤工作面时通常会将老巷划入其中，从而增加工作面的走向长度，减少浪费，但老巷对工作面的回采有很大的影响。回采期间面临过巷、穿巷、斜交等问题以及频繁的揭露老巷，增加了工作面回采期间的顶底板和围岩变形的难度[1-2]。张鹏等[3]针对不同层位的老巷采用多种方法实现工作面回采，对类似情况的工作面具有重要的参考价值；侯晓松[4]针对回采时过老巷群问题，依据FLAC3D模拟超前支撑压力下的老巷群覆岩应力分布规律，实现了快速稳定的过老巷群；苏德华等[5]以荡岭煤矿100105工作面的回采工作总结出过老巷回采的一套顶板管理、过断层管理及通风管理等保障技术措施；詹建民等[6]在回采实践中采用仰采以及平交过老巷时采用斜交的方法有效控制工作面顶板并保证老巷安全回采；成云海等[7]在防止冲击地压造成跨巷道大面积破坏采用极近距离跨采围岩控制技术和过老巷处理技术，并取得预期成效。

以某工作面为研究背景，采用FLAC数值模拟，研究工作面过老巷过程中（工作面开切眼与老巷相距240m）的位移与应力分析，通过位移量和应力变化状态下判断老巷变形程度，从而提出更有效的围岩支护技术且保证开采安全。

1.工程概况

图1 工作面过老巷位置

工作面位于5煤层，采高5.5m，煤层倾角4°，埋深315～424m，工作面长度140m，采用大采高一次采全高工艺。老巷与工作面在同一煤层，相互垂直，均沿煤层底板掘进形成。老巷断面宽度为7.4m，高度为3.5m。当工作面开采240m时，老巷与工作面贯通，且顶部2m厚的煤层一同被开采。工作面顶底板岩性，如图2所示。

图2 工作面各岩层岩性

2.巷道采动影响模拟分析

(1)模型建立

根据开采参数建立三维数值模型，其特点如下：5#煤层高度5.5m，煤层倾角4°，沿煤层走向（x方向）开采，工作面开采长度240m，保护煤柱宽度50m，工作面沿y方向布置。模型总长度为400m，工作面推进方向（x方向）为400m，工作面推进240m，模拟岩层总厚度为120m，模型上部边界施加等效于未建立岩层的应力7.5MPa。该工作面前后边界取50m，左右边界取50m。本构模型为摩尔库伦模型（Mohr-Coulomb）。模型约束条件为：上边界为自由边界，底边界为全约束，左右边界为单边约束。如图3所示。覆岩力学参数，如表1所示。

图3 数值计算模型

表1 模型覆岩力学参数

(2)老巷位移变化分析

本次实验分别模拟了工作面推进100m、150m、200m、240m时，采动对老巷（主巷与煤房）的变形影响。

在数值模型中，分别在老巷的主巷（煤房）内嵌入顶底板与两帮位移监测点，观测主巷与煤房位移变形规律，如图4～图6所示。

图4 主巷围岩变形量

图5 煤房（靠近工作面侧）围岩变形量

图6 煤房（远离工作面侧）围岩变形量

由图4～图6可知：（1）老巷的顶底板和两帮移近量随工作面推进不断增大，一直到工作面推过老巷。（2）老巷顶底板和两帮移近量变化速率在工作面推进0～150m处变化很小，巷道周围压力造成的变形变化微弱；变化速率从150m左右开始陡增，巷道周围的变形突变。（3）工作面推进0～150m处，主巷两帮位移变化量小于顶底板位移变化量；推进150～240m处，老巷两帮位移变化量大于顶底板位移变化量；煤房内围岩变形规律与主巷一致。可见，老巷围岩变形的主要因素由地应力转为工作面采动引起的二次应力。