新安礦回采對巷道影響的數據模擬研究

元永國

（遼源職業技術學院，吉林遼源 136201）

新安礦回采對巷道影響的數據模擬研究

元永國

（遼源職業技術學院，吉林遼源 136201）

雙鴨山礦業集團新安煤礦共有三個可采的的單一煤層，隨著采深的增加，工作面回采的采動影響對周圍巷道的影響將日益加強，基于此以8號煤層為例，進行了數據模擬，分析了采動對巷道圍巖應力分布和位移特征，為礦山巷道的支護提供了科學依據。

回采；圍巖；數據模擬；采動影響

雙鴨山礦業集團新安煤礦位于黑龍江省雙鴨山市友誼縣境內，目前開采的煤層為六采區8上號煤、七采區8號、12號煤。在煤層結構上，這三個煤層均為單一煤層，從地質條件上看，隨著回采深度的增加，井田的斷層及火成巖等構造較多，對這三個煤層破壞較嚴重。而三個煤層中都布置有工作面，工作面的回采必定對周圍的巷道有采動影響，為了避免發生發生頂板事故，應該對巷道受采動影響的范圍和程度有所研究，為巷道支護提供科學的依據。

1 計算幾何模型的確立

對于受巷道上部工作面回采影響的煤層巷道，巷道圍巖受巷道上部工作面參與支撐應力作用，在一定程度上己經受到破壞，加上本區段工作面的回采，煤層巷道圍巖的礦山壓力的分布范圍和顯現程度會較大[1]。為了全面掌握巷道上部工作面回采工作對這種煤層巷道周圍巖石的影響，確定巷道的圍巖變形、內部應力、位移情況及其分布規律，最終建立原始模型，見圖1。

1.1 模型計算范圍的確定

煤層巷道開始挖掘后，巷道周圍巖石或煤壁煤的原始應力平衡狀態必定會發生變化，產生圍巖變形、巖石移動等礦壓現象，而且其波及的范圍往往會很大，但是其影響范圍有一定限度，不會無限擴大[2]。同時，按照現場多年的實踐經驗和方便數據模擬，給定影響范圍一個適當的值。現場大量的實踐表明，頂板覆巖應是整個幾何模型的主體范圍，一小部分煤層底板也將包含在整個幾何模型中，這是考慮到煤層頂板、煤層以及煤層底板三者之間變形的協調關系。模型長度和寬度皆為40 m，共劃分為6 400個0.5 m×0.5 m的正方形單元[3]。

圖1 原始模型

1.2 邊界約束條件的確定

模型采用零位移邊界條件，具體處理如下：a.上部邊界是自由邊界。上部邊界以上的巖石層，將作為外載荷作用在模型的上部邊界上[4]。b.左、右兩邊界都是單約束邊界，即u=0，v≠0（u為水平方向位移，v為豎直方向位移）。c.下部邊界是全約束邊界[5]，即u=v=0。

1.3 模型加載

因為巷道實際平均埋深600.3 m，所以確定巷道煤層模擬埋深-600 m，此時外載荷原巖應力15 MPa，原巖應力為水平應力的0.84倍，約18 MPa。

2 計算物理模型的確定

根據概況實際地質條件，確定選取較為實用的彈性模型和摩爾-庫侖塑性模型。

2.1 巖體力學參數的選取

根據現場實際地質調查和巖石力學試驗結果，模擬計算采用的巖體力學參數，如表1所示。

表1 巖石物理參數表

3 數值模擬結果與分析

3.1 巷道圍巖應力場特征分析

巷道開掘后巷道周圍巖石原始的三向應力平衡狀態將被打破，應力重新分布后，應力集中在圍巖內部某處出現，8號煤巷道圍巖應力分布情況，見圖2-圖6，從圖中可以看出：a.掘進期間，巷道圍巖的應力增高區位于巷道右上角與底板位置以及煤柱和工作面側煤體。巷道兩幫圍巖在距離巷幫5 m處出現低水平應力區，以及距離巷幫20 m處出現低垂直應力區。b.回采期間，受上區段開采殘余側支承壓力影響，開挖引起的巷道圍巖應力重新分布，致使在煤柱和工作面側煤體及巷道右頂角和底角煤巖體均出現應力集中，巷道兩幫圍巖在一定范圍內存在低水平應力區，分別在距離巷幫5 m處出現低水平應力區，以及距離巷幫20 m處出現低垂直應力區。

圖2 巷道水平應力分布（掘進期間）

圖3 巷道水平應力分布（回采期間）

圖4 巷道垂直應力分布（掘進期間）

圖5 巷道垂直應力分布（回采期間）

圖6 掘進期間位移矢量圖

圖7 回采期間位移矢量圖

3.2 巷道圍巖位移場特征分析

1）從圖6和圖7中可以看出：a.新安回采期間礦巷道圍巖的位移矢量數值及范圍回采期間均大于掘進期間的數值和范圍，在掘進期間8號煤巷道圍巖的最大位移矢量為0.019 1 m，回采期間為0.032 45 m。b.新安礦巷道圍巖一定范圍內煤巖體在掘進、回采期間都會產生位移變化，但在巷道上部采煤工作面回采過程中產生位移的范圍會逐漸擴大，尤其是巷道兩幫的煤壁。

2）從圖8-圖11中可知：a.頂底位移和兩幫在巷道掘進期間位移均不太明顯。b.在回采過程中，巷道頂位移和兩幫位移逐漸增大，主要表現在巷道兩幫縮近和頂板下沉。

圖8 掘進期間水平位移分布

圖9 回采期間水平位移分布

圖10 掘進期間垂直位移分布

圖11 回采期間垂直位移分布

綜上所述，可見新安煤礦8號煤層上部工作面回采期間，8號煤層巷道的內部應力發生了變化，巷道變形開始加劇，通過數據模擬分析，說明新安礦上部工作面的回采對下部巷道產生了較大的采動影響，新安煤礦應根據數據模擬結果和現場實際觀測，綜合制定巷道的支護方案，以防止因采動影響而引起下部煤層巷道發生頂板事故。

[1]王德潤，謝廣祥.綜放回采巷道穩定性數值模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2000（1）：34-35.

[2]陳富洋，張華恩.二礦四采區30號煤層回采巷道失穩狀況淺析[J].煤炭技術，2002，11（21）：23-25.

[3]李學良.基于FLAC3D的采動區覆巖破壞高度數值模擬研究[J].煤炭技術，2012，10（31）：83-85.

[4]曹鋒，程永.神火礦區回采巷道圍巖穩定性分類研究[J].煤礦開采，2006，06（11）：65-66.

[5]李佳佳，高明中，王素軍.近距離采動影響巷道穩定性數值模擬研究[J].煤炭技術，2010，1（29）：79-81.

Numerical Simulation of Mining Influence on Roadways in Xin'an Mine

YUAN Yongguo
(Liaoyuan Vocational and Technical Institute,Liaoyuan 136201,China)

There are three minable single coal seams in Xin'an Mine,Shuangyashan Mining Group. With the mining deepening,the mining influence on the surrounding roadways increases.Taking an example of No.8 coal seam,numerical simulation was conducted to study the stress distribution and displacement of surrounding rocks caused by mining,which could provide a scientific basis for the roadway support.

mining;surrounding rock;numerical simulation;mining influence

TD353

A

1672-5050（2015）03-0061-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.022

（編輯：武曉平）

2015-03-14

元永國（1979-），男,吉林四平人，碩士，講師，從事采礦、通風安全教學研究工作。