厚煤層回采巷道開挖位置選擇數值模擬

郝為寧

(河南能源化工集團鶴壁煤業(集團)有限責任公司五環分公司， 河南鶴壁市 458000)

厚煤層回采巷道開挖位置選擇數值模擬

郝為寧

(河南能源化工集團鶴壁煤業(集團)有限責任公司五環分公司， 河南鶴壁市 458000)

利用數值模擬軟件，分析了厚煤層中巷道不同開挖位置時巷道圍巖的穩定性。運用FLAC3D數值模擬軟件建立了三維數值計算模型，對沿頂板和底板掘進巷道進行了數值模擬分析。分析了巷道開挖后巷道圍巖的位移場、應力場分布和圍巖塑性區分布。分析表明，在厚煤層的情況下，巷道布置在頂板的塑性區范圍小于在底板時的范圍，2種布置方式的應力分布特征變化不大，沿底板掘進時，幫部和頂板的垂直和水平位移都較大。總的來看，巷道布置在頂板優于布置在底板。

厚煤層；巷道位置；穩定性；數值模擬

厚煤層巷道的頂底板及兩幫都較軟，使在掘進和回采時巷道易發生片幫、冒頂，巷道圍巖整體變形量大，并且易受工程擾動的影響，嚴重影響工作面的安全高效生產[1-4]。受地質條件的影響，往往采用不同的布置和支護方式。運輸平巷一般沿底板布置，回風平巷一般沿頂板布置。對于巷道位置處于不同巖層中已經有了一些研究，得到了一些規律和經驗[5-8]，但對于厚煤層巷道沿頂板和底板掘進這2種情況還少有分析。對厚煤層巷道來說，巷道布置位置不同其應力的分布狀態和變形特征是不同的，選擇一個合適的巷道位置，對控制圍巖巷道變形十分重要。本文借助數值模擬軟件，分析了巷道在沿頂底板2種不同位置時的應力分布和位移變化特征。

1 工程概況

鶴煤五環分公司3303工作面位于五礦下山采區南翼，煤層底板標高為－475～－480.7m。3303回風平巷掘進工作面的煤層為二疊系山西組二1煤層，巷道位置如圖1所示，平均煤厚為8.27m。煤層走向變化較大，煤層走向變化范圍5°～91°。煤層傾角16°～18°，平均傾角17°。遇斷層時煤層局部傾角變化較大。3303回風平巷掘進工作面南部為3301工作面采空區；東南部為F40－1斷層防水煤柱；西部為三水平延深軌道下山；北部為3303工作面實體煤。整體構造形態為單斜構造。

2 數值模擬實驗

2.1 數值計算模型及參數

數值分析模型參數根據鶴壁煤業公司五環分公司回采巷道實際情況簡化后而得到。據鉆孔資料分析，局部有褶曲等構造，總構造變化不大，3303工作面偽頂基本不發育，巷道頂底板巖性分別為:偽頂炭質泥巖、直接頂細粒砂巖、老頂中細粒砂巖、直接底砂巖和基本底灰巖。

圖1 巷道位置和空間示意

數值模擬采用FLAC3D數值模擬軟件，建立模型比較復雜，故模型建立在ANSYS中進行，然后導入到FLAC3D中進行計算與分析。模擬的長×寬×高＝70m×60m×2m，采用摩爾－庫侖模型，應變模式采用大應變模式，模型邊界無水平位移，底部邊界為固定約束，巷道平均埋深為300m，頂部施加與埋深相對應的壓應力為8 MPa。數值計算和受力條件如圖2所示。巷道下幫和上幫高度分別為2500mm和3800mm，分別沿頂和沿底布置巷道進行模擬。開挖前先進行初始地應力平衡計算，然后開挖巷道。

2.2 巷道圍巖塑性區分布特征

巷道開挖以后在垂直應力的作用下，應力重新分布，巷道周邊將發生破壞，由此將會產生塑性區，塑性區分布如圖3所示。一般巷道兩幫的塑性區的范圍要大于頂底板的塑性區，并隨著時間的推移塑性區的范圍逐漸增大。由圖3可以看出，巷道沿底板布置時，頂板的塑性區范圍比沿頂板布置時的范圍大，主要原因是由于沿底板布置時，頂板為軟弱的煤層，強度低，巷道開挖后將會發生較大的變形。塑性區的最高邊界在底板掘進時的范圍要比沿頂板掘進的范圍大，其主要原因是頂煤破壞后不能對頂板提供支護力，進而使得破壞范圍大，而沿頂板時支護結構直接作用于頂板巖層施加支護力，使得沿頂板掘進時塑性區范圍大。由塑性區的分布可以看出，沿頂板布置巷道時塑性區要小于沿底板布置巷道時的塑性區。沿頂板布置時，塑性區體積為94.6；沿底板掘進時，塑性區體積為107.7。

2.3 巷道應力分布特征

圖2 計算分析模型

圖3 塑性區分布

2種布置方式的垂直應力分布如圖4所示。由圖4可以看出，2種布置方式的垂直應力分布特征很相似，應力集中主要出現在頂板、右幫和底板，左幫角的應力集中較右幫角的集中程度小，由于煤層傾角的原因，左角的應力集中較右下角小。

2.4 巷道圍巖變形分布特征

圖4 垂直應力分布圖

距巷道表面不同距離的圍巖水平、垂直位移分布如圖5和圖6所示。巷道沿頂板時，位移量最大出現在底板，最大底鼓量達到了83mm，且最大底鼓量發生在巷道底板中部，巷道頂板垂直位移最大達到17mm，由于巷道沿頂板掘進，底板為軟弱煤層，頂板為堅硬巖層，使得底板變形量較大。沿底板掘進時，最大位移量出現在頂板，頂板下沉量最大出現在巷道右上方，達到了83mm，底板最大位移量達到了53mm。巷道沿底板掘進時，底板垂直位移量比沿頂板掘進時的明顯要大，頂板位移反之。因此巷道沿底板掘進時，應當重點支護頂板的煤體和兩幫的煤；巷道沿頂板掘進時，重點支護底板。

圖5 垂直位移分布

圖6 水平位移分布

由圖6可以看出，巷道沿頂板掘進時，左幫最大位移量為48mm，右幫最大位移為75mm；巷道沿底板掘進時，兩幫最大位移都達到了77mm。巷道沿頂板掘進時，水平位移量要小于沿底板掘進時的水平位移量。

3 變形破壞特征分析

巷道的破壞過程受眾多因素的影響，巷道破壞過程是一個相當復雜的過程。巷道開挖以后其應力重新分布，如果支護體不能及時支護，控制圍巖的變形，圍巖自身狀況將會惡化，兩幫將由表面開始破壞并逐漸向巷道深部圍巖延伸，然后逐漸趨于穩定。巷道沿不同位置掘進后，將會出現不同的破壞特征和形態，經過一段時間巷道變形嚴重，必須進行返修或加強支護，才能保證工作面正常的生產。

在厚煤層中沿頂板掘進，巷道頂板為巖層，底板為實體煤，在這種情況下巷道的破壞特征主要是底鼓現象突出。大部分巷道底板不采取支護手段，使得沿頂板掘進時底鼓現象更加嚴重。支護的重點是控制底鼓。

在厚煤層中沿底板掘進時，底板為巖層，頂板為實體煤，巷道破壞特征主要是頂板易于冒落，特別是煤層特別厚時，頂板錨桿不能錨固到堅固巖層之中，使得錨桿支護范圍內圍巖不能形成穩固的錨固體，不能保證頂板的整體穩定性。

4 結 論

在選擇巷道掘進位置時，應當考慮到巷道周邊的圍巖環境，在厚煤層中進行開挖時，沿頂板底掘進巷道時重點支護的對象是不同的。沿頂板掘進時，重點控制底板的軟弱實體煤；沿底板掘進時，重點控制的是頂板和兩幫。在厚煤層中選擇巷道掘進位置時，優選沿頂板掘進，巷道圍巖位移和塑性區均較沿底板掘進時小，巷道穩定性較好。

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2015-06-25)

郝為寧(1987－)，河南輝縣人，男，漢族，助理工程師，主要從事礦山壓力及巷道支護方面工作，Email:haown1987＠163.com。