長壁開采三順槽礦壓特征數值模擬研究

喬立瑾

（煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001）

長壁開采三順槽礦壓特征數值模擬研究

喬立瑾

（煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001）

采用數值模擬方法，研究長壁開采條件下三順槽在不同開采階段圍巖的應力場分布和幫部支承壓力分布特征。研究結果表明：三順槽掘成后，所有順槽幫部越靠近中間順槽，破壞區域越大，應力集中系數也越高；上區段工作面回采后，所有順槽幫部越靠近上區段工作面，破壞區域越大，應力集中程度越高；下區段工作面回采后，越靠近中間順槽，破壞區域越小，相應的應力集中程度也越小。

長壁開采；三順槽；礦壓特征；支承壓力；數值計算

1 引言

在我國煤礦綜采面中，兩工作面間布置兩條順槽的情況比較多，然而，隨著對煤礦安全要求指標的提高以及通風的需要，工作面間布置三條順槽的情況越來越多，在山西范圍內很多礦井（例如趙莊、寺河及大寧煤礦）都采用了三順槽的布置。為此研究工作面三順槽的礦壓規律就顯得非常有意義。

在巖體地下工程中，地下空間的開挖使得開挖空間的周圍的應力場發生變化，應力的大小和方向都發生了改變，這種應力重新分布和演化的過程我們叫做二次應力場的形成[1-7]。

工作面間留設的三順槽在其服務期間，要經歷巷道掘進、上區段工作面采動和下區段工作面采動等階段，其力學環境特征及結構將會發生很大變化。總體來說，三順槽在工作面采動期間，其礦壓規律及穩定性主要取決于巷道周邊圍巖的物理力學性質以及上覆巖層的結構。

為了確定工作面三順槽的礦壓特征，以國內某大型礦井為工程背景，研究三順槽在巷道掘進、工作面采動情況下巷道礦壓特征的演變規律，給礦井巷道支護提供可靠的依據。

2 工程背景及數值計算模型的建立

以國內某大型礦104和105工作面及其之間的順槽201、202、203為工程背景，采用國際最流行的大型巖土數值計算軟件[8,9]，建立三順槽及其附近工作面的整體力學模型。模型總體長度135m，順槽巷道的寬都為5.5m，高3.5m，保護煤柱寬30m。據此建立的數值計算模型如圖1所示，模型共劃分1512個六面體單元，共有3212節點。模型除上邊界外的五個邊界面的法向位移固定，上邊界施加6.63m P a的均布壓力。

圖1 整體計算模型

利用與現場相符合的施工生產順序，實施三順槽的掘進、上下區段工作面的采掘，分析整個過程中順槽礦壓特征的演變規律。數值計算采用的巖層分布和巖石力學參數，如表1所示。

3 三順槽礦壓特征分析

初始平衡后的鉛垂應力分布云圖，見圖2，在此假定初始應力場全部由自重應力場產生，從圖中可以得知，鉛垂應力從上往下逐漸增大，在同一個水平高度上鉛垂應力在數值上相等，這種應力分布和靜水壓力分布類似。

表1 數值計算巖層分布和物理力學參數表

圖2 初始應力場

3.1 巷道掘成后的礦壓特征

在得到初始應力場后，利用計算程序的開挖模塊來模擬巷道掘進，即開挖順槽201、202和203網格，首次計算（即施加錨桿錨索支護結構前）釋放30%應力，并計算至平衡，隨后施加錨桿、錨索支護結構，錨桿的初始預緊力都為5t，錨索的初始預緊力都為8t。

圖3 三順槽掘成后鉛錘應力分布云圖

在巷道掘進完成后，三順槽的鉛垂應力分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出，在順槽表面附近出現了卸壓區域，中間巷道卸壓區范圍稍大，煤體中的應力集中程度也高，錨桿都受到軸向拉力。

在三個順槽都掘成后，中間順槽202號幫部煤體上的鉛垂應力沿隨幫部深部路徑的分布曲線如圖4所示。從圖中可以看出，順槽202號幫部煤體的破壞范圍和應力集中程度都較201號和203號順槽要大，每條順槽幫部表面的鉛垂應力都非常小，遠遠小于原巖應力，鉛垂應力沿幫部煤體分布都是從表面往深部，鉛垂應力先增大，后減小到原巖應力數值，這與理論研究結果是一致的。

圖4 三順槽巷道掘成后202號順槽幫部水平方向鉛垂應力曲線

3.2 上區段工作面回采后的礦壓特征

圖5 上區段工作面回采后鉛垂應力云圖

圖6 上區段工作面回采后202號順槽幫部水平方向鉛垂應力分布曲線

三順槽開采上區段工作面回采完成后順槽附近圍巖的鉛垂應力分布云圖，見圖5。從圖5中可以得出，在上區段工作面回采后，靠近上區段工作面的順槽203號隨之消失，在瀕臨采空區附近的區域出現大的垮落區域和破壞區域，并且靠近采空區域的煤柱上有較大的應力集中。圖6為三順槽上區段工作面回采完成后順槽幫部煤體上的鉛垂應力從巷道表面往深部沿路經的分布曲線。從圖中可以看出，順槽202號圍巖的破壞深度要比201號大的多，應力集中程度也大。煤柱幫部表面的鉛垂應力都非常小，遠遠小于原巖應力，鉛垂應力沿幫部煤體分布都是從表面往深部，鉛垂應力先增大，后減小到原巖應力數值。

3.3 下區段工作面回采的礦壓特征

圖7 下區段回采后圍巖鉛垂應力分布云圖

圖7為三順槽下區段工作面回采完成后順槽附近圍巖的鉛垂應力分布云圖，圖8為下區段工作面回采完成后202號順槽煤柱沿幫部表面往深部鉛垂應力分布曲線。從圖中可以看出，在下區段工作面回采后，順槽201號隨之消失，上下區段工作面采空區處都存在大的垮落帶及圍巖破壞區域，瀕臨兩大采空區域的煤柱上都形成了大范圍和大深度的破壞，并伴隨有極高的應力集中。

圖8 下區段工作面回采后202號順槽幫部水平方向鉛垂應力分布曲線

4 三順槽礦壓特征演變規律

圖9 三個階段中202號順槽幫部水平方向鉛垂應力分布曲線

圖9為三順槽巷道在巷道掘成、上區段工作面回采、下區段工作面回采三個階段順202號槽幫部煤體上的鉛垂應力從巷道表面往深部沿路經的分布曲線。從圖中曲線的分布情況以及變化趨勢可以看出，在三順槽掘成后，在三個順槽周圍都形成了破壞區，但中間順槽（即202號順槽）的破壞區域較大些，相應的煤柱上應力集中系數也高；在上區段工作面回采完成后，順槽203號已經消失，順槽202號和201號破壞區域都加大，應力集中程度也相應增大，但202號順槽的增大程度更高，尤其是在202號順槽靠近采空區域的一側；在下區段工作面回采完成后，順槽201號已經消失，順槽202號加大，應力集中程度也相應增大，但202號順槽靠近下區段采空區域的一側的增大程度高于靠近上區段采空區域一側。

5 結論

利用大型數值計算軟件對三順槽三個階段的圍巖應力分布進行了分析，得出如下結論：

1）三順槽掘成后，中間順槽兩幫圍巖破壞深度大，且應力集中系數較高；兩邊巷道靠近中間巷的幫部圍巖破壞深度比靠近外邊的幫部圍巖破壞深度要大，相應的應力集中程度也較高，但都小于中間順槽的兩幫。

2）上區段工作面采過后，在所有順槽和煤柱幫部中，靠近上區段采空區的破壞區域大，相應的應力集中程度也高。

3）下區段工作面才過后，在所有順槽和煤柱幫部中，靠近上區段采空區和下區段采空區的破壞區域大，相應的應力集中程度也高，中間順槽兩幫的破壞區域相對較小，應力集中程度也較小。

[1]Shaoqing NIU,Shuangsuo YANG,Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb TheoryCriterion[J].Advanced Materials Research，Vols.261-263（2011）pp 1439-1443.

[2]牛少卿，楊雙鎖，王志剛，寇永嘉.非均勻水平應力場中井壁結構的優化設計研究[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2010，26(3):60-63.

[3]王思紅，牛少卿，寇永嘉.松軟破碎硐室群圍巖穩定性數值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛華晉，牛少卿，顏文艷.長壁開采條件下巷道三岔口穩定性研究[J]，山西煤炭，2010，30(12):39-41.

[5]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，2010,35(11):1842-1853.

[6]楊雙鎖，曹建平.錨桿受力演變機理及其與合理錨固長度的相關性[J].采礦與安全工程學報，2010,27(1):1-7.[7]牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[8]Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions[M].Minnesota:Itasca Consulting Group,Inc.,2005.

[9]陳育民，徐鼎平.F L A C/F L A C 3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

Numerical Simulation of Three-crossheading Strata Behavior in Long-wallmining

QIAO Li-jin
(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry,Taiyuan Shanxi030001)

By numerical simulation,three-crossheading's stress distribution and side abutment pressuredistribution of surrounding rocks are studied at the differentmining phases in long-wallmining.The resultsshow that,after the completion of crossheading digging,the closer all side crossheadings are to centralcrossheading,the bigger destruction area is and the higher stress concentration factor is.After the caving ofupper part,the closer all side crossheadings are to upper part,the bigger destruction area,the higher stressconcentration degree;after the caving of lower part,the closer to central crossheading,the smaller destructionarea,correspondingly,the lower stress concentration degree.

long-wall mining;three-crossheading;strata behavior;supporting pressure;numericalcalculation

TD353.6

A

2011-09-14

喬立瑾(1981—)，男，山西祁縣人，大學本科，工程師，從煤炭開采設計等方面的研究工作。

徐樹文