煤礦開采中地應力變形影響仿真模擬研究

江莉莉

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 霍州 033000）

0 引言

地殼結構復雜多樣，巖體作為地殼的主要組成部分承受著各種壓力。地應力作為尚未人為接觸的應力，其形成原因有兩種：一種是由于巖體本身的自重或者是地殼結構運動產生的構造應力；另一種是由于巖體長期存在于地面以下，各種物質之間會產生物理或者是化學反應變化等，多種因素共同導致了絕對應力的產生，絕對應力也就是我們日常所說的天然應力[1]。天然應力主要存在于隧道的開鑿、金屬礦山的掘進等過程中。煤炭的開采主要來源于地下開采，地下開采離不開巷道的掘進。在煤炭開采過程中，需要進行巷道的掘進，且該過程中避免不了對煤礦井下的巖石造成破壞，尤其是現階段，隨著煤炭開采強度和深度的不斷加大，對于地應力的測量更加重要。在開采過程中對地應力進行測量，有利于為煤礦企業的決策者針對煤炭開采的走、施工步驟等提供有效的參考，防止在開采過程中發生煤礦安全事故[2-3]。

1 礦區地應力變形影響仿真模擬條件

在實際地應力的測量過程中存在著許多影響因素，因此需要采用實測的方式對其進行測量，進而分析總結出實際地應力的分布規律。由于煤礦長期開展井下巖石開采工作，因此需要對煤礦井下的地應力進行詳細、準確地測量。本文基于某煤礦的地應力分布情況，對地應力測量技術的實際應用進行闡述，同時通過測量得到地應力的分布情況，有助于煤礦企業決定掘進方向以及開采方向[4]。

應用煤礦的地質情況：西部13 號煤層深為1 500 m，東部為13 號煤層露頭，東西方向的距離為63.1 km，南北方向的距離為45～75 km，該煤礦整體面積達到了2 000 km2以上。該煤礦所處的位置整體呈西北高、東南低走式，同時北部方向的地形以丘陵為主，南部則以盆地和平原為主，地形、地勢變化均比較明顯。該煤礦井下巷道尺寸為寬5 m、高4 m。本文采用FLAC3D軟件對煤礦地應力進行模擬研究，采用該軟件進行模擬研究時，首先需要進行網格的建立，對網格施加初始和邊界條件，再進行分析[5]。煤礦井下開采過程中，由于對周圍環境中的巖石影響比較大，本次建模采用的尺寸為長62 m、寬20 m、高50 m，巷道斷面的尺寸為寬5 m、高4 m。

目前，礦區地應力測量采用的方法主要有水壓致裂法和鉆孔應力解除法，水壓致裂法和鉆孔應力解除法在實際應用過程中的應用場景各有不同。為了保證仿真結果的準確性，綜合考慮水壓致裂法和鉆孔應力解除法的優缺點，選擇平面二維鉆孔應力接觸法的地應力測量方法為仿真模擬基礎。

2 地應力對巷道周圍的影響數值模擬研究

本次仿真模擬采用的軟件為FLAC3D軟件，采用該軟件進行仿真模擬時，其過程分三步進行。首先是建立網格，而后進行材料特性的設置及模型的構建，網格劃分好后，設置模型的邊界條件及初始條件。

網格劃分后得到40 300 個網格，46 343 個節點，其模型圖如圖1 所示。

圖1 巷道模型圖

2.1 垂直應力對煤礦周圍巖體的影響仿真模擬

為了研究垂直應力對周圍環境的影響，本此仿真模擬設置5 種方案，水平應力均設置為10 MPa，垂直應力不斷增加，其方案數值設置如表1 所示，仿真模擬結果如圖2 所示。

表1 垂直應力影響數值設置

圖2 垂直應力對煤礦巷道的影響

通過模擬結果能夠發現，當垂直應力不斷增加時，煤礦巷道的位移變化隨之增大。根據圖2 的結果能夠發現，當垂直應力達到6.5 MPa 時，其兩幫位移變化達到了8.85 mm，與頂板相比較，其位移變化比較大。垂直應力達到10.5 MPa 時，兩幫的位移又明顯小于頂板的位移。研究發現，垂直方向的地應力在對煤礦巷道的影響作用主要集中在對頂部的影響。經再次觀察分析不同垂直應力大小時，頂板垂直位移和兩幫水平位移的整體數值變化情況發現，隨著垂直應力大小的不斷增大，頂板垂直位移的增量明顯大于兩幫水平位移的增量。

2.2 水平應力對煤礦周圍巖體的影響仿真模擬

對于水平方向的地應力的研究仍舊采設置5 種方案進行仿真模擬。5 種方案為保持垂直應力不變的情況下，通過不斷增加水平應力而顯現出水平地應力對煤礦井下周圍巖體的影響。通過觀察水平應力不斷增加的過程中，煤礦井下頂板和兩幫的位移量變化情況，從而得到水平應力對煤礦井下周圍巖體的影響情況。在研究水平應力對煤礦周圍巖體的影響情況時，垂直應力數值設置為9.5 MPa，水平應力數值設置如表2 所示，仿真模擬結果如圖3 所示。

表2 水平應力影響數值設置

圖3 水平應力對煤礦巷道的影響

從仿真模擬相對應方案獲取的數據能夠發現，當垂直應力都處于9.5 MPa 時，隨著水平應力的不斷增加，頂板垂直位移和兩幫水平位移也隨之增加。當水平應力為0.5 MPa 時，頂板的垂直位移為9.5 mm，而兩幫的水平位移為8.2 mm。隨著水平應力逐漸從0.5 MPa 增加到2.5 MPa 時，頂板的垂直位移量逐漸小于兩幫水平位移。綜上分析，隨著水平應力不斷增加，兩幫水平位移量的增量速度要大于頂板垂直位移量的增量速度。

3 結語

地應力處于地殼中，并處于不斷的變化之中。地應力的測量關系到煤礦井下掘進和開采過程中的人員安全問題，隨著煤炭開采深度的不斷加大，需要加大對地應力的測量頻次，保證工作人員能夠及時明確和熟知煤礦井下開采過程中周圍的地應力環境，從而減小地應力對開采工作面造成的影響。通過分析五種不同垂直應力和水平應力條件下，煤礦巷道兩幫與頂板的變化位移情況得出：垂直應力變化時，頂板位移變化情況大于兩幫水平位移；水平應力變化時，兩幫水平位移增量明顯大于頂板位移增量。位移的變化規律有助于為煤礦地應力測量人員提供一定的周圍巖體的變化情況作為施工參考，從而以此指導煤炭企業的工作人員高效開展掘進及開采工作。