沿空留巷圍巖應力分布的數值模擬

武少鵬

(潞安集團 生產處，山西 長治 046204)

隨著煤礦生產規模的增大和開采深度的增加，礦井地質條件和開采技術條件日趨復雜，造成煤炭資源回收率降低、維護頂板和治理瓦斯的工程及成本成倍增加、礦井采掘銜接緊張等一系列問題。近年來，許多煤礦積極引進沿空留巷技術，對提高煤炭資源回收率、緩解采掘銜接、延長礦井服務年限有積極的現實意義，同時也為采掘工作面頂板維護和瓦斯治理提供了技術支撐[1-5]。本文以李村煤礦2302工作面為例，運用數值模擬軟件對沿空留巷圍巖應力進行計算分析，為合理確定巷旁墻體寬度提供理論依據。

1 工程概況

李村煤礦是潞安集團的一座現代化大型礦井，生產能力為300萬t/a，屬高瓦斯礦井。依據礦井采掘銜接計劃和沿空留巷的實施要求，2302工作面和2303工作面采用聯合布置，對2302工作面輔助進風巷進行沿空留巷，保留下來的巷道作為2303工作面的進風巷。2302工作面采用“兩進一回”的Y型通風系統，其運輸巷和輔助進風巷進風，回風巷采用2302工作面回風巷和以“沿空留巷”方式保留下來的2302工作面輔助巷。2302和2303工作面布置方式見圖1。

圖1 2302和2303工作面布置

2 沿空留巷圍巖應力分布的數值模擬

2.1 基礎參數

2302工作面采用一次采全高綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板；工作面長度為285 m，推進長度為730 m。開采煤層為沁水煤田3號煤層，平均厚度為4.6 m；頂板巖石類別為粉砂巖(硬度5～7、厚度4.5 m)，炭質泥巖(硬度1～3、厚度0.25 m)，砂質泥巖(硬度1～3、厚度0.9 m)，細粒砂巖(硬度5～7、厚度4 m)；底板巖石類別為炭質泥巖(硬度2～5、厚度1.4～1.9 m)、砂質泥巖(厚度0.80 m)。

2.2 模型建立

本文采用FLAC3D數值模擬軟件建立計算模型，以2302工作面的地質參數和幾何參數為依據，確定模型尺寸為400 m×800 m×150 m，如圖2所示。計算模型本構關系采用摩爾-庫侖準則，位移邊界約束，四周設置為鉸支，底部設置為固支，上部為自由邊界。并施加上覆巖層自重荷載11.25 MPa，水平施加漸變荷載，應力梯度為0.025 MPa/m。

巷旁墻體寬度是沿空留巷的重要參數，本次模擬建立5個計算模型，對應的巷旁支護墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m，分別模擬不同巷旁墻體寬度條件下巷道圍巖應力分布規律。

圖2 沿空留巷計算模型

2.3 模擬結果分析

1) 垂直應力分布規律。不同巷旁墻體寬度條件下巷道垂直應力分布云圖如圖3所示，巷道兩幫內垂直應力分布曲線如圖4所示。

由圖3可以看出：不同寬度的巷旁墻體，沿空留巷圍巖垂直應力分布基本一致，即頂、底板圍巖應力呈“半橢圓”分布，由圍巖淺部至深部逐漸增長；實體煤幫內的垂直應力在圍巖淺部呈“近線性”關系增長至峰值，而后在圍巖深部呈“負指數”關系減??；巷旁墻體內的垂直應力由淺部至深部先增大后減小。

由圖4可以看出，巷旁墻體寬度由1.2 m增加至2.0 m過程中，底板內應力分布基本無變化；頂板左上側和右上側應力呈增加趨勢，且頂板與采空區連接處的應力逐步降低；墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m時，實體煤幫內對應的應力峰值為32.58 MPa、32.68 MPa、33.68 MPa、33.04 MPa和32.76 MPa，垂直應力集中區距煤幫表面3.5～5.0 m；巷旁墻體內垂直應力峰值呈“拋物線”型下降趨勢，應力分布得到明顯改善，應力峰值位于巷旁墻體的中部或右側角。

圖4 不同巷旁支護墻體寬度時沿空留巷兩幫內垂直應力分布曲線

通過對不同墻體寬度沿空留巷兩幫垂直應力峰值進行統計分析，沿空留巷兩幫垂直應力峰值變化曲線如圖5所示。

圖5 不同巷旁墻體寬度時沿空留巷兩幫垂直應力峰值變化曲線

由圖5可知，實體煤幫內應力峰值較穩定，且垂直應力峰值距煤幫表面距離基本一致。巷旁墻體內垂直應力峰值呈“拋物線”形減??；巷旁墻體寬度為1.2 m時，墻體內垂直應力增長最快，且應力峰值也最大；隨著墻體寬度的增大，應力峰值逐步減小并趨于穩定。

2) 巷旁墻體內的應力演變規律。隨著工作面推進，采場礦壓顯現處于動態變化過程，導致巷旁墻體內的應力狀態隨著在采場中空間位置的變化而不斷變化，通過模擬得到巷旁墻體內垂直應力演變規律，如圖6所示。

由圖6得出，巷旁墻體內垂直應力演變過程分為4個區：上升區、峰值區、過渡區和穩定區。上升區從工作面開始直至達到應力峰值，上升區寬度約36 m；峰值區為巷旁墻體內垂直應力峰值區域，其寬度約100 m；過渡區的垂直應力呈線性遞減，其寬度約46 m；采場巖層運移趨于穩定后，巷旁墻體內垂直應力逐步穩定，該區域垂直應力穩定，滯后工作面182 m。

圖6 沿工作面推進方向巷旁墻體內垂直應力分布云圖

3 結 語

1) 通過對沿空留巷巷旁垂直應力統計分析得出：不同巷旁墻體寬度，沿空留巷圍巖垂直應力分布基本一致。隨著巷旁墻體寬度的增大，底板內應力分布基本無變化；頂板左上側和右上側應力呈增加趨勢，且留巷頂板與采空區連接處的應力逐步降低；實體煤幫內應力峰值較穩定；巷旁墻體內垂直應力峰值呈“拋物線”型下降趨勢。基于沿空留巷圍巖垂直應力分布狀態和巷旁墻體實施的經濟合理性，本工作面巷旁墻體的寬度設置為1.6 m比較合理；同時為其他類似工作面沿空留巷確定巷旁墻體寬度提供了參考。

2) 通過對沿空留巷巷旁墻體內的應力演變過程分析得出：巷旁墻體內垂直應力演變過程分為上升區、峰值區、過渡區和穩定區，為工作面推進過程中，沿空留巷不同區域的臨時補強支護措施提供了依據。