不同應力作用下巷道圍巖變形的數值模擬分析

申 強

(山西煤炭運銷集團 晉城有限公司，山西 晉城 046031)

隨著煤炭科技水平的不斷發展，采煤生產的裝備水平得到了快速提高，大噸位綜采支架、電控液壓支架等先進支護裝備得到了廣泛應用，巷道斷面、交岔點跨度呈現增大趨勢，這為巷道錨固支護技術提出了新的挑戰。而綜采工作面巷道服務年限較短，根據其所在煤層賦存特征、圍巖特性、功能、構造等因素影響，如何在確保安全的前提下，根據采動影響下巷道圍巖發生的應力變化，分段落優化支護設計，尤其是對局部巷道圍巖穩定段合理擴大支護間排距，從而提高掘進速度、降低巷道支護成本，已成為一個新的課題。本文以首陽煤業15203工作面為例，對不同應力條件下，巷道圍巖發生的變形進行模擬分析，旨在為分段落優化支護提供理論支撐。

1 工作面概況

首陽煤業是山西煤炭運銷集團兼并重組整合礦井，井田面積14.996 km2，批準生產能力90萬t/a，主采山西組3號煤層和太原組15號煤層，礦井絕對瓦斯涌出量1.41 m3/min，屬低瓦斯礦井。15203工作面位于首陽煤業礦井二采區，工作面東部為采區邊界，西部為15202工作面實體煤，見圖1。工作面主采15號煤層，煤層均厚4.4 m，煤層傾角2～8°。根據相鄰工作面采掘過程中揭露情況推測，工作面西巷道掘進100 m可能揭露F18斷層延伸段，掘進至615 m，可能揭露F23斷層延伸段，因物探、鉆探工作及現有技術手段的局限性，推測巷道前方可能存在陷落柱、斷層等地質構造或其他異常情況，無巖漿活動，地質條件相對簡單。

圖1 15203工作面布置示意

2 數值計算模型的建立

通過對礦井已采15101、15102、15103和15104工作面礦壓規律初步研究與總結，以及對15202工作面回采期間兩巷道掘進支護情況進行分析，認定巷道開掘期間的二次應力分布和變化主要影響因素為埋深和留設煤柱寬度，次要影響因素為頂板巖性、地質構造(陷落柱、斷層等)。此外，經過模擬及已采工作面煤柱留設論證及實踐，15203工作面煤柱寬度確定為15 m。因此，本文采用FLAC3D模擬軟件，在不同埋深以及對應不同構造應力條件下，對工作面巷道開掘期間的應力變化情況進行模擬探討。

根據15203工作面實際工程地質條件構建數值模型，模型結構為：X方向長180 m、Y方向長200 m、Z方向長74.4 m，設定方向上側壓系數同為1.2，除上部邊界外其余邊界固支，即：前后、左右邊界橫向位移及速度為零，底部邊界豎向位移及速度為零，重力加速度為9.81 m/s2，見圖2。模型具體設計如下：①煤層頂板巖層厚度50 m，煤層厚度4.4 m，煤層底板20 m，模型高度(Z方向)共計74.4 m；②設計工作面推進160 m，兩側各留設20 m實體煤，共計推進方向(Y方向)為200 m；③擬定模擬相鄰15202工作面回采及本工作面回采對巷道圍巖變形影響，設定X方向為180 m。

圖2 15203工作面數值計算模型

3 模擬結果分析

首先計算模型初始應力場至平衡，即依次開挖15202工作面進風巷道和15203工作面西巷道，開挖后立即進行相應支護，待應力平衡后，讀取相應的巷道圍巖位移量，作為反映采動影響前圍巖穩定性的參考指標。然后依次模擬相鄰工作面開挖、本工作面開挖對不同埋深、以及對應不同地質結構的巷道圍巖穩定性的影響。

3.1 巷道埋深對巷道圍巖穩定性的影響

根據鉆孔資料和礦井地質報告，井田范圍內15號煤層的賦存深度為60～300 m，本文中數值模擬按100 m、150 m、200 m、250 m和300 m不同巷道埋深情況進行考慮。采動影響前，巷道穩定性參考指標為：300 m埋深，巷道的頂底板移近量為5.61 mm、兩幫移近量為11.17 mm。通過數值模擬，不同埋深情況下巷道圍巖變形量，見圖3和圖4。由模擬結果可知：

圖3 不同埋深條件下巷道頂底板移近量變化曲線

圖4 不同埋深條件下巷道頂兩幫移近量變化曲線

1) 不同埋深情況下，巷道頂底板及兩幫圍巖變形性呈現相同的變化趨勢，當相鄰工作面與巷道測點距離較遠時，巷道圍巖變形量很小，當相鄰工作與巷道測點距離小于20 m時，巷道圍巖變形量開始增加，當相鄰工作面退過后，巷道圍巖變形量持續緩慢增加一定時間達到穩定。

2) 本工作面回采過程中，當工作面與測點距離相對較遠時，巷道圍巖變形量變化很小，當工作面推進到距離測點30 m范圍內時，巷道圍巖變形量開始快速增大，直至工作面推進到測點位置時達到最大，此時可對巷道進行超前加強支護，以確保工作面端頭的穩定。

3) 當巷道埋深為100 m、150 m、200 m、250 m、300 m時，巷道頂底板移近量最大值分別為：17.19 mm、27.59 mm、38.00 mm、55.22 mm和72.43 mm；巷道兩幫移近量最大值分別為：7.11 mm、14.34 mm、21.57 mm、35.59 mm和49.60 mm。

3.2 構造應力對巷道圍巖穩定性的影響

為了模擬構造應力變化對巷道圍巖變形的影響，可以通過改變巷道圍巖所受的側壓系數模擬構造應力的變化。本次數值模擬設定巷道埋深為200 m，對側壓系數取1.0、1.2、1.5、2.0、2.5時巷道圍巖變形量進行分析。采動影響前，巷道穩定性參考指標為：頂底板移近量為10.45 mm、兩幫移近量為9.81 mm。通過數值模擬，不同構造應力作用下巷道圍巖的變形量，見圖5和圖6。由模擬結果可知：

1) 不同側壓系數情況下，巷道頂底板及兩幫圍巖變形性呈現相同的變化趨勢，當相鄰工作面與巷道測點距離較遠時，巷道圍巖變形量很??；當相鄰工作與巷道測點距離小于20 m時，巷道圍巖變形量開始增加；當相鄰工作面退過后，巷道圍巖變形量持續緩慢增加一定時間達到穩定。

2) 本工作面回采過程中，當工作面與測點距離相對較遠時，巷道圍巖變形量變化很小，當工作面推進到距離測點30 m范圍內時，巷道圍巖變形量開始快速增大，直至工作面推進到測點位置時達到最大，此時可對巷道進行超前加強支護，以確保工作面端頭的穩定。

3) 當側壓系數為1.0、1.2、1.5、2.0、2.5時，巷道頂底板移近量最大值分別為：30.40 mm、38.00 mm、47.50 mm、64.60 mm和83.60 mm，巷道兩幫移近量最大值分別為：17.26 mm、21.57 mm、26.96 mm、36.67 mm和47.45 mm。

圖5 不同構造應力條件下巷道頂底板移近量變化曲線

圖6 不同構造應力作用下巷道頂兩幫移近量變化曲線

4 結 語

通過數值模擬分析，可得出如下結論：

1) 煤層埋深影響巷道支護效果，埋深越大，巷道圍巖變形越大。隨著巷道埋深的增加，巷道圍巖變形量也呈增大的趨勢，對于首陽煤業15號煤層生產地質條件，巷道埋深對圍巖穩定性有著重要的影響，埋深越大，巷道所承受的圍壓越大，形變量越大。

2) 構造應力(側壓系數)影響巷道支護效果，側壓系數越大，巷道圍巖變形越大，因此巷道在通過斷層、陷落柱等地質構區時應加強巷道支護強度或進行補強支護。