基于FLAC3D的沿空巷道应力场演化规律

摘"要：沿空留巷是实现矿井安全高效开采的重要途径之一，为了得出沿空巷道应力场演化规律，本文基本FLAC3D数值模拟软件及现场监测数据对沿空巷道应力场分布情况进行研究分析。研究结果表明，巷道受到一次采动期间，柔模墙内部及巷帮两侧出现应力集中，超前工作面10m正帮应力集中数值为121MPa，顶底板出现“拱形”卸压区，应力形式为拉应力，巷道在二次采动影响期间，巷道塑性区破坏深度大幅增加，两帮塑性区破坏深度为2.5m，应力集中程度也急剧增长，超前工作面10m处正帮侧集中应力达到139MPa。

关键词：沿空留巷；FLAC3D；应力场分布

沿空留巷作为无煤柱开采的关键技术之一［13］，是实现矿井安全高效开采的重要途径。但是沿空留巷需要将相邻工作面的回采巷道保留下来作为当前工作面回采巷道使用，巷道受到采动及动静载荷持续扰动影响［4］，矿压显现剧烈，巷道变形破坏较其他巷道留设方式大［5］，因此，掌握沿空留巷巷道应力场演化规律对维护巷道稳定性及巷道有效支护尤为重要。

1"工程概况

柠条塔矿井位于陕西省神木县，现主采2-2煤，埋藏深度130～220m，煤层平均厚度2.1m，煤层结构较简单、赋存稳定。本文以陕煤集团柠条塔煤矿N1215综采工作面沿空留巷为背景，在N1215综采工作面回采期间，采用柔模混凝土沿空留巷的方式，将N1215运输巷道保留下来作为N1217综采工作面回风巷道。通过使用数值模拟软件，研究巷道在留巷期间不同位置应力演化规律，对比巷道在不同采动期间应力场分布情况，结合现场监测数据，分析巷道超前位置及滞后位置的矿压数据变化、顶板离层及裂隙情况。

2"一次采动影响下巷道应力场演化规律

以柠条塔煤矿N1215工作面综采沿空留巷工程地质条件为背景，采用FLAC3D软件模拟沿空留巷期间巷道应力场演化规律，经过分析研究，对地质条件进行合理的简化，最终建立模型尺度为600m×500m×60m；为消除边界效应，留设50m宽度保护煤柱；巷道沿煤层底部留设，高度为3.5m，宽度为3.8m；随着工作面的推进，在采空区侧方进行柔模混凝土墙构筑，通过柔模混凝土墙支护将N1215运输巷道保留下来作为下一个工作面的回风巷道；将模型四周边界及下边界设置为固定位移边界。

由于初始应力场是分析开采空间围岩应力重新分布的基础，为较真实地进行工程模拟仿真，必须保证模拟开采前已存在的初始地应力场的可靠性。根据现场实际地质条件，模拟煤层的垂直初始应力，按其上覆岩层重量计算，上覆岩层的平均体积力为25kN/m3，在模型上部施加5.15MPa的垂直载荷，模拟上覆松散层自重，设定模型重力加速度为10m/s2，初始侧压系数为1.2。

数值模拟模型计算时采用摩尔库伦破坏准则，由摩尔库伦本构模型确定所需要的岩石力学参数，根据工程调研数据以及相邻矿井地质资料，确定岩层及覆岩的物理力学参数。由于柔膜墙内采用C30混凝土配合对拉锚杆作为沿空留巷支护材料，因此，柔模混凝土墙仍然采用摩尔库伦本构模型，通过实验室测试及现场监测数据对柔模混凝土墙赋参，参数设置如下表所示。

模型建立后进行数值模拟计算，计算分析结果有以下方面。

2.1"一次采动影响下滞后工作面10m应力场演化规律

如图1（a）所示，滞后工作面10m处巷道顶板塑性区最大深度为0.63m，底板靠近柔模墙侧塑性区破坏深度为2.31m，破坏类型大部分为剪切破坏，存在部分拉伸破坏，帮部破坏深度较顶底板小，塑性区深度为0.44m，柔模墙未出现塑性变形；如图1（b）所示，柔模墙内部出现垂直应力集中，数值为97MPa，除了巷道左侧区域垂直应力形式为压应力，其余各处均为拉应力，拉应力数值为0.82MPa；如图1（c）所示，柔模墙内部最大主应力最大数值为101MPa，最大主应力与垂直应力分布一致，除了巷道左侧区域最大主应力形式为压应力，其余各处均为拉应力；如图1（d）所示，巷道顶底板最小主应力为拉应力，拉应力数值为1.27MPa，最小应力最大值出现在巷道左侧煤体内，最大数值为9.5MPa，柔模墙内部最小应力值为3.1MPa，拉力形式仍为拉应力。

2.2"一次采动影响下超前工作面10m应力场演化规律

如图2（a）所示，超前工作面10m处巷道顶底板均未出现塑性变形，两帮仅出现深度为0.47m的剪切破坏，巷道较为稳定；如图2（b）所示，巷道顶底板出现“拱形”的卸压区，在该区域内垂直应力较小，数值为0.02MPa，巷道帮部出现应力集中，正帮侧应力集中数值最大，为13MPa；如图2（c）所示，顶板的最大主应力较底板最大主应力数值较大一些，其余各处最大主应力以巷道为中心呈“椭圆形”辐射，随着距离巷道越远，最大主应力数值也随之减小；如图2（d）所示，最小主应力基本呈对称分布，巷道顶底板最小主应力为拉应力，拉应力数值为0.04MPa，最小应力最大值出现在正帮侧，最大数值为8.5MPa。

3"二次采动影响下巷道应力场演化规律

3.1"二次采动影响下超前工作面10m应力场演化规律

如图3（a）所示，根据数值模拟分析可知，在二次采动过程中，当距工作面超前10m时，巷道在不同位置都发生了不同程度的破坏，巷道负帮靠近采空区，破坏程度相对较大，破坏深度达2.5m，巷道正帮底角破坏延伸较远，达7.2m；如图3（b）所示，垂直应力集中出现在柔模墙顶部和底部，垂直应力值最大达到了139.57MPa，而巷道正帮应力集中分布范围较大，但垂直应力值相对较小，垂直应力值最大达到了34.89MPa；由图3（c）可知，巷道最大主应力在巷道两侧出现了不同程度的集中情况，在靠近柔模墙顶底板处应力集中程度最大，最大值达到142.63MPa，其他地方应力值相对较小，且巷道正帮出现最大值为43.64MPa的最大主应力集中情况；由图3（d）可以看出巷道周围存在一定的拉应力，其拉应力最大为2.48MPa，其余为压应力，其压应力最大处出现在巷道正帮一侧，为26.89MPa，且柔模墙顶部出现应力值最大为17.75MPa的最小主应力集中情况。

3.2"二次采动影响下超前工作面20m应力场演化规律

如图4（a）所示，根据数值模拟分析可知，在二次采动过程中，当距工作面超前20m时，除了巷道正帮底角其他位置都发生了不同程度的破坏，巷道负帮靠近采空区，破坏程度相对较大，破坏深度达2.5m，巷道正帮也产生深度达5.2m的破坏；如图4（b）所示，垂直应力集中出现在柔模墙顶部和底部，垂直应力值最大达到了139.15MPa，而巷道正帮应力集中分布范围较大，但垂直应力值相对较小，垂直应力值最大达到了24.89MPa；由图4（c）可知，巷道最大主应力在巷道两侧出现了不同程度的集中情况，在靠近柔模墙顶底板处应力集中程度最大，最大值达到1371MPa，其他地方应力值相对较小，且巷道正帮出现最大值为33.64MPa的最大主应力集中情况；由图4（d）可以看出巷道周围存在一定的拉应力，其拉应力最大为2.32MPa，其余为压应力，其压应力最大处出现在巷道正帮一侧，为21.61MPa，且柔模墙顶部出现应力值最大为18.64MPa的最小主应力集中情况。

结语

巷道受到一次采动期间，柔模墙内部及巷帮两侧出现应力集中，应力集中数值最大为超前工作面10m正帮应力集中数值为121MPa，顶底板出现“拱形”卸压区，应力形式为拉应力。巷道在二次采动影响期间，巷道塑性区破坏深度大幅增加，两帮塑性区破坏深度最大为2.5m，应力集中程度也急剧增长，超前工作面10m处正帮侧集中应力达到139MPa，根据数值模拟计算结果分析，沿空留巷柔模墙支护对维护沿空巷道稳定性、减弱重复采动下对巷道的扰动影响具有重要意义，通过构筑柔模墙支护能够满足保留巷道条件且正常回采需求。

参考文献：

［1］华心祝，李琛，刘啸，等.再论我国沿空留巷技术发展现状及改进建议［J］.煤炭科学技术，2023，51（01）：128145.

［2］张东升，茅献彪，马文顶.综放沿空留巷围岩变形特征的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2002（03）：331334.

［3］谢文兵，笪建原，冯光明.综放沿空留巷围岩控制机理［J］.中南大学学报（自然科学版），2004（04）：657661.

［4］李迎富，华心祝，蔡瑞春.沿空留巷关键块的稳定性力学分析及工程应用［J］.采矿与安全工程学报，2012，29（03）：357364.

［5］康红普，张晓，王东攀，等.无煤柱开采围岩控制技术及应用［J］.煤炭学报，2022，47（01）：1644.

作者简介：曹宇翔（1987—"），男，汉族，陕西榆林人，硕士研究生，采矿工程师，主要从事煤矿开采技术方面研究。