邊角煤回采對附近巷道群影響程度數值模擬分析

房豐洋　郝慶利　楊永剛

內蒙古煤礦安全監察局　呼和浩特　010010

邊角煤回采對附近巷道群影響程度數值模擬分析

房豐洋郝慶利楊永剛

內蒙古煤礦安全監察局呼和浩特010010

以某礦邊角煤Ⅱ6112改造工作面以及附近永久巷道群為研究對象，采用FLAC3D三維有限差分軟件和UDEC二維離散元數值計算軟件分別計算了該工作面回采對保護煤柱內的二水平副暗斜井、內水倉、外水倉、二水平泵房等巷道內的應力、變形規律進行了研究，分析表明改造工作面的回采對巷道影響不大，采取適當加固措施后巷道能夠保持穩定。研究成果對指導工程實踐、豐富邊角煤開采礦壓理論具有一定的理論和實際意義。

邊角煤回采影響巷道群應力變形

引言

隨著煤炭資源的不斷開采，一些生產壽命進入中后期的礦井為了減少煤炭資源損失，增加礦井經濟效益，邊角煤的開采逐漸成為了生產的重點［1-3］。布置在此類條件下的工作面應力環境、頂板垮落形態等與普通工作面是完全不同的，由于該類改造的工作面靠近保護煤柱，對于保護煤柱內的永久巷道群必然會產生一定影響［4-6］。由于邊角煤改造工作面礦壓顯現的異常，其采動條件下工作面四周圍巖的應力發展變化是隨工作面推進不斷變化的復雜的時空過程，具有不可視，不可觸，不可預見的特點，給處在此應力環境中的永久巷道群的穩定性帶來不確定性，是否需要加固、加固參數如何確定，是礦井面臨的重大問題。某礦Ⅱ6112改造工作面與附近永久巷道群（二水平副暗斜井、內水倉、外水倉、二水平泵房）屬于此類開采環境下，永久巷道群的穩定關系到整個礦井的安全生產，改造工作面的資源回收與確保巷道群的穩定是煤礦生產者面臨的重大抉擇。因此，采用數值計算方法研究改造工作面回采過程中附近永久巷道群的變形、應力變化規律，分析判斷巷道的穩定狀態，對指導工程實踐、豐富邊角煤開采礦壓理論具有重要的理論和實際意義［7-8］。

1.工程概況

某礦Ⅱ6112改造工作面位于Ⅱ61采區下部的東部邊緣，西部邊界為落差70m的采區邊界——孟口逆斷層。Ⅱ6112工作面切眼距離孟口斷層約150m，南部為二水平北翼軌道大巷保護煤柱，東部為二水平回風下山保護煤柱。工作面形狀不規則，基本上為兩個梯形塊段，切眼標高在-551.5m～-588.5m之間。Ⅱ6112工作面平均傾角12°，工作面煤層厚度在2.35m～3.40m之間，平均煤厚為2.80m，見圖1（a）所示。

Ⅱ6112工作面斜下方四條巷道永久巷道可能受該工作面開采影響，分別為：二水平副暗斜井水平距離為71m；外水倉、內水倉的水平距離分別為80m、98m，二水平泵房與工作面最近的水平距離為65m，各巷道標高相同，與六煤垂直距離13m左右。如圖1.1所示。四條巷道斷面形狀均為直墻圓拱，二水平泵房凈寬4.7m，凈高5.4m，斷面積23.4m2；其余巷道凈寬3.2m，凈高3.6m，凈斷面積10.4m2。巷道在工作面回采前進行了加固，采用錨梁網+澆筑混凝土混合支護：錨桿間排距為900mm×900mm，錨桿規格為φ20× 2，000mm；支護完成后及時澆筑混凝土，鋼筋龍骨用縱筋Φ 18mm、箍筋Φ10mm的鋼筋扎制，兩幫及頂板澆筑厚度500mm，底板300mm，混凝土標號C30。

圖1　工作面及附近巷道三維模型及測點布置圖

2.三維數值模擬計算分析

2.1模型建立

根據煤礦地質資料，確定數值計算力學模型，模型長× 寬×高分別為550m×400m×300m，工作面沿x向推進。采用摩爾庫倫本構模型，應變模式采用大應變變形模式，模型底部限制垂直移動，上部施加上部巖層等效載荷12MPa，模型前后和側面限制水平移動，側壓系數取1.2。由于計算模型比較復雜，使用CAD、NSYS軟件建模，然后導入FLAC3D軟件進行計算。整個模型由49，820個單元組成，包括56，496個節點。

2.2力學參數的選取

根據勘察報告，巖層的力學參數如下：

表1　巖層物理力學參數

綜合考慮采空區冒落矸石的物理力學特性及其變化規律的已有研究成果，結合類似礦區的巖層情況與相似材料模擬試驗結果，在計算中取采空區冒落矸石的物理力學參數見下表所示。為了真實地模擬實際回采過程中已冒落矸石的支撐作用，計算中動態改變局部材料特性，逐步提高采空區矸石的物理力學參數。

表2　采空區冒落矸石的物理力學參數

圖2　各測點應力隨工作面推進變化曲線

2.3計算結果分析

模擬煤層開采時，分別計算煤層工作面開采60m，120m，180m，240m，295m，穩定后的結果（每次開挖計算500步），分析水倉、泵房及二水平副暗斜井關鍵部位的應力變化。研究中選取如下關鍵截面位置的應力。圖2為工作面推進過程中各測點應力變化曲線。

由圖2可見，隨著開采面的推進，研究巷道的最大垂直應力成增大趨勢。外水倉C1截面的最大垂直應值最大，開采前后應力的增長幅度為6.89%。內水倉增長幅度最大點為拐角處，達到7.62%。內水倉增大幅度最大點為C2截面，達到6.43%。二水平泵房最上端截面最大垂直應力的增加幅度最大，達到了11.04%。二水平副暗斜井A4截面最大垂直應力的增加幅度達到了6.94%。綜上所述，Ⅱ6112工作面開采對研究巷道的影響并不顯著。

3.二維數值模擬計算分析

3.1二維數值模型的建立

為了確保工作面回采期間永久巷道的使用安全并驗證上述計算結果，采用離散元數值計算軟件UDEC3.1進行復分析。以圖1（b）中C1—C2測點為剖面，建立二維數值計算模型，采用平面應變模型假設。模型應用BLOCK命令生成，應用CRACK命令劃分各個巖層，應用JSET命令模擬巖體節理。整個模型寬400m，包括兩側各留設100m邊界煤柱；高度為從巷道底板50m共計250m，不足部分采用載荷加載，通過計算模型頂部加載10MPa。各巖層力學參數的選取見表1。

3.2計算結果及分析

圖3　回采后外水倉垂直變形云圖

圖4　回采后外水倉塑性區分布圖

以內外水倉巷幫邊緣10m、巷道頂底板10m范圍建立監測線，用來監測巷道在Ⅱ6112工作面回采前后圍巖應力及變形情況。

（1）內外水倉巷道圍巖變形分析

圖3為工作面回采前后巷道周邊圍巖位移云圖。圖中，白色部分為錨桿，藍色部分為鋼筋混凝土結構。從圖（a）可見，工作面回采前，由于巷道周邊基本無采動影響，且巷道位于砂巖層中，巷道圍巖變形量較小，頂板產生了約150mm的下沉，底板產生了約200mm的底鼓。巷道變形基本處于可控范圍之內。圖（b）反映出Ⅱ6112工作面回采后，巷道圍巖位移云圖發生了改變，受到了工作面回采后大環境的影響，但位移值基本未發生變化。

（2）內外水倉巷道圍巖塑性區分布

從圖4工作面回采前后內外水倉周邊圍巖塑性區分布情況來看，工作面回采前，巷道周邊基本未出現明顯的塑性區；工作面回采后，巷道兩幫出現了約0.8m深度的少量塑性區，但變化不明顯。

（3）內外水倉巷道垂直應力分布

圖5為工作面回采前后巷道周邊垂直應力分布曲線。工作面回采前，受巷道開挖的影響，巷道周邊產生了較為明顯的垂直應力峰值，位于兩幫，最大應力峰值約為22MPa，距巷幫10m深度基本恢復至原巖應力，應力集中系數為1.4左右。工作面回采后，應力值較回采前有所增高，分布規律與回采前基本相同。最大應力值位于巷道幫部，最大值為28.5MPa，應力集中系數為1.5左右。整體來看，受工作面回采影響，巷道周邊垂直應力值比回采前升高10%～20%左右，但對巷道穩定性影響不大。

4.現場實施效果

為保證工作面回采過程中永久巷道的使用安全，在二水平副暗斜井中對應于數值計算中A4截面附近設置了3個測站，限于篇幅，僅列舉變形較為明顯的2#測站，巷道圍巖變形曲線見圖6所示。由圖可見：在監測的160余天內，巷道兩幫移近量僅約23mm，頂底板移近量約34mm，基本無明顯變形，支護結構未發生明顯破壞，圍巖完整。這與數值計算結果非常吻合，有力地證明了數值計算結果的準確性。

圖5　工作面回采前后巷道周邊垂直應力

圖6　巷道圍巖變形觀測曲線

5.結論

運用FLAC3D三維數值模擬軟件和UDEC離散元數值計算軟件，分析了Ⅱ6112工作面開采對附近內、外水倉、泵房、二水平副暗斜井等巷道影響程度，并進行了現場實測，結果表明：

（1）數值計算結果表明，Ⅱ6112改造工作面的回采對周邊巷道，尤其是對內、外水倉、泵房、二水平副暗斜井等重要巷道影響不大，通過適當加固是能夠保證改造工作面回采期間上述巷道的安全使用要求；

（2）從巷道周邊垂直應力分布來看，巷道周邊垂直應力有所升高。根據FLAC3D計算結果，巷道周邊最大產生了11%的應力增長，出現與內外水倉拐點位置；根據UDEC計算結果，巷道周邊產生了最大20%的應力增長。兩者計算有所差別，但基本可以認為，Ⅱ6112改造工作面回采會對內外水倉、泵房及暗副斜井等周邊巷道產生一定影響，但最大升高倍數也僅為1.2倍；

（3）通過現場實測，結果表明巷道圍巖最大變形量僅為20mm～30mm左右，巷道內支護結構未發生破壞，圍巖完整，與數值計算結果吻合，有力地證明了數值計算結果的準確性，指導了現場工程實踐。

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房豐洋（1982-），男，內蒙古鄂爾多斯市鄂托克旗人，中級工程師，在讀工程碩士，主要從事煤礦礦井設計方面的研究。