厚松軟煤層巷道掘進斷面形狀優化數值研究

趙宣宣

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 呂梁 033102）

回采巷道是工作面能夠形成開采系統的重要一環，回采巷道的設計與穩定關系整個工作面的安全生產。我國煤礦地質條件復雜，對回采巷道的布置提出了嚴峻的挑戰，有關專家學者針對深部巷道、高地應力巷道、堅硬頂板條件下巷道斷面形狀的設計研究取得了大量的成果[1-4]。木瓜煤礦二采區工作面全煤巷布置，巷道支護條件差，掘進回采過程中易發生圍巖破壞。針對這一工程實際問題，本文從巷道斷面形狀優化設計入手，研究不同側壓系數下不同斷面形狀的圍巖破壞情況，為回采巷道掘進選取合適斷面提供理論依據。

1 工程概況

木瓜煤礦二采區整體為單斜構造，局部區域為背斜、向斜構造，背斜軸部走向NW，背斜、向斜兩翼煤層傾角變化較小，煤層傾角3～7°，平均5°，煤層傾角對回采影響較小。二采區所開采煤層為石炭系下統太原組的10#煤，煤層硬度為3～6，宏觀煤巖類型為半亮型，玻璃光澤，階梯狀斷口，中厚層狀，賦存較穩定，無明顯變化。煤層頂底板特征見表1所示。

表1 工作面頂底板特征一覽表

2 數值模型及參數

選取的巷道斷面分別為矩形、圓形、直墻半圓拱形和橢圓形共4種，各斷面的尺寸如圖1所示。采用FLAC3D數值模擬軟件對不同側壓系數下的巷道圍巖最大應力、圍巖位移情況、圍巖塑性區發育情況進行數值分析。

圖1 巷道斷面尺寸（m）

建立的數值模擬尺寸為40m×5m×40m，模型限制其底部與四周的位移，在模型上邊界施加6.5MPa的垂直應力用來模擬上方巖層的載荷。數值模擬計算的物理力學參數選取，按照已有實驗室實測的抗壓抗拉及彈性模量的數值[5]，具體見表2所示。模型整體采用摩爾庫倫破壞準則，揭示不同側壓力系數巷道開挖后巷道圍巖變形特征、圍巖塑性區分布規律以及圍巖最大應力的分布規律，圍巖應力側壓系數選取為0.6、1.0、1.4三種。

表2 煤巖物理力學參數表

3 數值模擬結果與分析

3.1 巷道圍巖應力規律

不同側壓系數下的不同斷面形狀的巷道圍巖垂直應力最大值比較，如圖2所示。

圖2 巷道圍巖最大應力比較

根據巷道圍巖最大應力模擬結果可知，當圍巖應力側壓系數為0.6時，矩形巷道、圓形巷道、橢圓形巷道、直墻半圓拱形巷道垂直應力最大值分別為 11.73MPa、11.08MPa、11.12MPa、11.42MPa；當圍巖應力側壓系數為1.0時，矩形巷道、圓形巷道、橢圓形巷道、直墻半圓拱形巷道垂直應力最大值分別為 10.82MPa、10.37MPa、10.23MPa、10.61MPa；當圍巖應力側壓系數為1.4時，矩形巷道、圓形巷道、橢圓形巷道、直墻半圓拱形巷道垂直應力最大值分別為9.28MPa、9.30MPa、9.00MPa、9.16MPa。

從應力比較曲線可知，巷道斷面形狀相同的情況下，側壓系數越大，巷道圍巖所受的垂直應力最大值越小。以矩形斷面為例，側壓系數取0.6時的垂直應力最大值較側壓系數取1.4時的最大值高26.4%；在側壓系數取相同值的情況下，比如均取0.6或1.0時，矩形斷面圍巖所受垂直應力值最大，其次是直墻半圓拱形巷道、圓形巷道、橢圓形巷道，而取值為1.4時，垂直應力最大值為圓形和矩形斷面，最小為橢圓形斷面。出現這種變化的原因是弧形斷面形狀能夠承受較大的應力作用，而隨著側壓系數的增加，巷道圍巖所受的水平應力逐漸大于垂直應力，巷道受水平方向的擠壓較嚴重，導致垂直應力峰值隨側壓系數增加而減小。

3.2 巷道圍巖變形特征

不同側壓系數下的不同斷面形狀的巷道圍巖變形最大值統計如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形統計

從頂板下沉量來看，當側壓系數大于1.0時，圓形斷面＜橢圓形斷面＜矩形斷面＜直墻半圓拱形斷面；當側壓系數小于1.0時，矩形斷面＞直墻半圓拱形斷面＞橢圓形斷面＞圓形斷面。從底鼓量來看，矩形斷面最大而直墻半圓拱形最小，當側壓系數小于1.0時，橢圓形斷面＜圓形斷面；當側壓系數大于1.0時，圓形斷面＜橢圓形斷面。從兩幫移近量來看，整體趨勢均是圓形斷面最大，其次是矩形斷面，之后直墻半圓拱形大于橢圓形。整體而言，當側壓系數小于1.0時，橢圓形斷面巷道的位移情況是最小的，其次是直墻半圓拱形斷面，最大是矩形斷面；當側壓系數大于1.0時，橢圓形斷面巷道位移情況還是最小，其次是圓形，最大還是矩形斷面。由此可以看出，圍巖側壓系數對不同斷面形狀巷道的位移情況影響非常大。

3.3 巷道圍巖塑性區分布

不同側壓系數下的不同斷面形狀的巷道圍巖塑性區發育情況如圖4所示。從巷道圍巖塑性區發育統計結果可知，當側壓系數取0.6時，矩形斷面頂板塑性區發育約為1.7m、底板塑性區約為1.5m、兩幫塑性區約為2.0m，圓形斷面頂板塑性區發育約為0.3m、底板塑性區約為0.5m、兩幫塑性區約為2.6m，橢圓形斷面頂板塑性區發育約為1.7m、底板塑性區約為1.5m、兩幫塑性區約為1.4m，直墻半圓拱形斷面頂板塑性區發育約為0.6m、底板塑性區約為1.6m、兩幫塑性區約為1.7m；當側壓系數取1.0時，矩形斷面頂板塑性區發育約為2.2m、底板塑性區約為2.3m、兩幫塑性區約為2.0m，圓形斷面頂板塑性區發育約為1.8m、底板塑性區約為1.7m、兩幫塑性區約為2.0m，橢圓形斷面頂板塑性區發育約為2.0m、底板塑性區約為2.1m、兩幫塑性區約為0.7m，直墻半圓拱形斷面頂板塑性區發育約為1.6m、底板塑性區約為2.0m、兩幫塑性區約為0.5m；當側壓系數取1.4時，矩形斷面頂板塑性區發育約為3.7m、底板塑性區約為3.5m、兩幫塑性區約為1.4m，圓形斷面頂板塑性區發育約為3.0m、底板塑性區約為2.9m、兩幫塑性區約為1.6m，橢圓形斷面頂板塑性區發育約為3.4m、底板塑性區約為3.2m、兩幫塑性區約為0.5m，直墻半圓拱形斷面頂板塑性區發育約為3.0m、底板塑性區約為3.5m、兩幫塑性區約為1.0m。

綜上所述，從巷道圍巖應力、位移、塑性區發育情況來看，側壓系數越大，巷道圍巖承受的應力越大，圍巖塑性變形情況也越嚴重；從巷道斷面情況來看，橢圓形巷道是破壞情況最少的，其次是圓形和矩形巷道，而橢圓形和直墻半圓拱形巷道圍巖破壞不均勻，選取時應特別注意。木瓜煤礦回采巷道全煤巷掘進，側壓系數大于1.0，掘進時應首先選擇橢圓形或圓形巷道，但從盡快形成回采系統方面考慮，矩形巷道掘進更快，成巷率更高，更能夠適應木瓜礦井工作面實際情況。

圖4 巷道塑性區發育特征

4 結論

回采巷道斷面的選擇與巷道所受圍巖應力狀態有很大聯系，隨著側壓系數的增大，巷道受水平方向的擠壓越嚴重，表現為頂底板破壞較發育；對矩形、圓形、橢圓形、直墻半圓拱斷面分析可知，圓形斷面和矩形斷面圍巖破壞較為均勻，橢圓形和直墻半圓拱形斷面四周圍巖破壞有差異，矩形斷面的掘進速度和成巷率比圓形斷面大。研究結果顯示，在實際生產中可以優先選取矩形斷面，為木瓜煤礦工作面掘進工作提供了指導。