基于FLAC3D的強動壓影響巷道應力場數值模擬與分析

摘 要：通過對中煤平朔井工一礦受強動壓影響巷道19109輔運順槽進行圍巖應力測試，采用FLAC3D軟件進行數值模擬分析，結果表明：19109輔運巷掘進時巷道圍巖應力受19108工作面回采動壓影響明顯，19108工作面回采時，垂直應力增高區主要集中在工作面后方兩側及工作面正前方一定范圍，并隨工作面回采，煤柱應力持續增加。

關鍵詞：強動壓;應力場;數值模擬;回采動壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.079

平朔井工一礦19109輔運順槽鄰近19108工作面，煤柱寬度20m，19108工作面正在回采，為確保采掘接續，19109輔運順槽掘進與19108工作面回采形成“對掘”，因此19109輔運順槽受到強烈的動壓影響，主要表現為巷道底鼓和煤幫煤體片落，同時在距離巷道開口1051～1642.5m范圍為普23孔背斜-向斜構造影響區域，巷道掘進時同樣將面臨巷道支護問題。因此研究工作面回采期間臨近巷道圍巖應力場變化具有重要的現實意義。

1 數值計算建模

此次建模依據礦井實際地質狀況，利用三維直角坐標系，XY平面定義為水平面（X軸正向水平向右，Y軸正向垂直向內），Z軸為垂直方向（規定向上為正）。模型以數值計算為主，劃分共計173850個單元，184512個節點。定義三維模型的邊界條件為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。按地質力學實測數值施加初始應力。數值計算中，模擬了19109輔運巷、19108主運巷掘進及19108工作面回采對各條巷道圍巖應力和變形的影響情況。

2 模擬計算及分析

2.1 巷道掘進期間模擬計算結果及分析

通過FLAC3D建模，計算19109輔運巷與19108主運巷掘進期間，煤柱內部及巷道圍巖應力分布情況如下圖。

由上圖可知，19109輔運巷和19108主運巷掘進后，巷道圍巖垂直應力存在疊加，煤柱間垂直應力最大可達13.05MPa，巷道頂板最大下沉量據現場觀測為11.1mm，最大底鼓量25.3mm;水平應力集中區域分布于巷道的頂板和底板，最大水平應力值為27.43MPa，兩幫最大變形量據現場觀測為35.5mm。

2.2 工作面回采期間模擬計算結果及分析

模擬假設：19109輔運巷已完成掘進，19108工作面正在回采。

由模擬計算結果可知，19108工作面回采期間，煤柱、工作面超前支護及巷道圍巖承壓分布及變化情況如下圖。

由圖可知，隨著19108工作面回采，煤柱、工作面超前支護及巷道圍巖應力變化明顯，應力集中明顯，受回采影響，工作面前方20m范圍受應力變化明顯。

分析可知，位于工作面后方10m、5m處，最大垂直應力分布在煤柱內部靠近工作面一側（分別為51.85MPa、44.55MPa）。在工作面前方，應力集中區域明顯改變為工作面前方煤巖體中，前方5m、10m處，最大垂直應力分別達45.24MPa和26.06MPa。

而水平應力集中分布于煤柱靠近工作面一側的上方頂板處，最大達53.14MPa。工作面回采后，主應力主要集中于煤柱內部，受采動影響和應力集中系數的增加，19109輔運巷圍巖變形量增大，現場數據顯示，巷道頂板最大下沉量12.62mm，最大底鼓量108.51mm，靠近采空區一側巷幫變形為91.31mm，遠離采空區一側巷幫變形為37.90mm。

3 結語

19109輔運巷掘進時，垂直應力出現疊加現象，而隨著19108工作面回采，19109輔運巷受回采動壓影響明顯，垂直應力增高區主要集中在工作面后方兩側及工作面正前方一定范圍，而水平應力集中分布于煤柱靠近工作面一側的上方頂板處，并隨工作面回采，煤柱應力持續增加。這就為我們現場支護提供了科學依據和參考，對支護參數的優化設計具有指導意義。

參考文獻：

[1]錢鳴高，繆協興.采動巖體力學——一門新的應用力學研究分支學科[J].科技導報，1997（03）：29-31.

[2]宋振騏，蔣金泉，宋揚.關于采場巷道礦壓控制設計問題[J]. 山東礦業學院學報，1985（03）：1-11.

[3]劉金海，姜福興，朱斯陶.長壁采場動、靜支承壓力演化規律及應用研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（09）：1815-1827.

[4]夏永學，藍航，毛德兵等.基于微震監測的超前支承壓力分布特征研究[J].中國礦業大學學報，2011，40（06）：868-873.

[5]王德璋，李俊杰.動壓巷道礦壓顯現規律及支護技術[J].煤炭科學技術，2011，39（04）：40-43.

作者簡介：徐曉煜（1986-），男，山西朔州人，本科，工程師，研究方向：采礦工程管理，從事礦井開采與通風管理工作。