孤島工作面巷道采掘期間應力演化規律

馮慧

摘要：本文以山東某礦地質條件為背景，運用FLAC3D數值模擬軟件，模擬了該礦1307孤島工作面順槽掘進及工作面回采期間順槽兩幫應力演化規律。分析表明軌順及運順采空幫在巷道掘進期間處于高應力集中狀態，應力集中系數在2.08左右浮動；孤島工作面回采期間，軌順及運順周圍均處于高應力集中狀態，軌順回采幫及運順回采幫應力峰值呈“馬鞍狀”變化趨勢，最大應力集中系數為2.53。通過模擬分析可為巷道支護位置及支護方式提供重要的參考依據。

Abstract： In this paper， according to the geological conditions of a mine in Shandong， it used FLAC3D numerical simulation software to simulate the 1307 island working face and the stress evolution law of the two sides of the working face during mining. The analysis shows that the track transports and the strong-belt conveyer are in a state of high stress concentration and the stress concentration factor is around 2.08； in the isolated working face， around t the track transports and the strong-belt conveyer are at the high stress concentration， and the peak value of stress of the mining sides is saddle shaped， and the maximum stress concentration factor is 2.53. Through the simulation analysis， it can provide important reference for the location and support of roadway support.

關鍵詞：孤島工作面；數值模擬；巷道；應力分布

Key words： island coal face；numerical simulation；roadway；stress distribution

中圖分類號：TD263 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0169-02

0 引用

由于孤島工作面兩側均為采空區，工作面推進過程中，受工作面超前支承應力與采空區側向支承應力疊加作用的影響，形成應力集中區，覆巖破斷時產生高能量礦震，增加了煤巖體的支承壓力，對巷道破壞較大，巷道支護強度要求較大[1-2]。孤島工作面沿空掘巷應力集中系數比一般沿空掘巷應力集中系數大。孤島工作面超前支承壓力大、沿空掘巷圍巖變形量大，掘進期間和回采期間圍巖變形差異較大[3]。回采巷道變形是孤島工作面正常回采的主要問題之一，充分認識巷道兩幫變形機理對巷道的支護具有重要參考價值[4]。本文以山東某礦1307工作面為背景，運用FLAC3D軟件，模擬了孤島工作面順槽掘進及工作面回采期間順槽兩幫的應力演化規律，為孤島工作面巷道支護及巷道支護方式提供了參考依據。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

該煤礦1307工作面北鄰1308采空區，留設4m煤柱，南鄰1306工作面采空區，西側為一采區東翼集中大巷，東側為實體煤。工作面標高：-432.6～-492.8m，平均-462.7m，埋藏深度：481.0～541.2m。

1.2 模型建立

以山東某礦1307孤島工作面為背景，建立FLAC3D 數值模型，如圖1所示，模型長424m（長）×352m（寬）×206m（高），模型劃分280642個單元體，模擬20層煤巖層結構，采用摩爾-庫倫模型，模型頂部施加7.5MPa，水平應力施加均布載荷，為垂直方向應力的0.5倍。

1.3 檢測點布置

在軌道順槽及運輸順槽兩幫布置檢測點，分析軌道順槽及運輸順槽掘進及工作面回采時的順槽兩幫的應力演化規律。

2 巷道掘進期間應力分布規律

孤島工作面沿空掘巷最大應力峰值明顯大于常規工作面沿空掘巷，給孤島面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制造成極大的困難[5]。

如圖2～圖4所示，受采空區的影響，軌道順槽及運輸順槽在掘進期間巷道周圍出現明顯的應力集中現象。軌道順槽及運輸順槽掘進50m時，軌順采空幫、軌順回采幫、運順回采幫、運順掘進幫應力峰值分別為16.65MPa、16.65 MPa、16.48MPa、16.67MPa。隨著軌道順槽及運輸順槽向采空區掘進，順槽兩幫的應力峰值逐漸增大。

巷道掘進100m、150m、200m、250m時，軌順采空幫應力峰值分別為24.40MPa、25.28MPa、25.47MPa、25.16MPa。運順采空幫應力峰值分別為24.07MPa、24.84MPa、24.89MPa、24.50MPa。軌順回采幫應力峰值分別為：20.26MPa、20.73MPa、20.83MPa、21.33MPa，運順回采幫應力峰值分別為：20.49MPa、21.25MPa、21.24MPa、20.94MPa。說明巷道掘進100m后，受1306采空區及1308采空區影響，軌順及運順兩幫應力峰值均呈現先增大穩定的現象。軌順采空幫及運順采空幫應力峰值在25MPa左右浮動，應力集中系數為2.08左右。軌順回采幫及運順回采幫應力峰值在21MPa左右浮動，應力集中系數為1.75左右。

3 巷道回采期間應力分布規律

為研究孤島工作面回采過程中對巷道的影響，分析孤島工作面超前應力峰值區處巷道周圍應力分布，可為巷道的支護提供一定的參考依據。

如圖5～圖7所示，受采空區側向支承應力與孤島工作面超前支承應力疊加影響，工作面超前支承應力區處的軌道順槽及運輸順槽均處于高應力集中狀態。工作面推進70m、120m、170m、200m時，軌順采空幫應力峰值分別為28.64MPa、30.38MPa、30.09MPa、28.81MPa。運順采空幫應力峰值分別為29.02MPa、29.54MPa、29.49MPa、27.87MPa。軌順回采幫應力峰值分別為：28.90MPa、33.34MPa、32.18 MPa、30.92MPa，運順回采幫應力峰值分別為：30.36MPa、30.47MPa、33.19MPa、30.2MPa。說明孤島工作面回采過程中，軌順及運順兩幫均處于高應力集中狀態，軌順回采幫及運順回采幫應力峰值呈“馬鞍狀”變化。最大應力峰值為30.38MPa，應力集中系數為2.53。

4 結論

①孤島工作面軌順及運順掘進時，受采空區的影響，軌順及運順兩幫應力峰值均呈現先增大穩定的現象。軌順及運順采空幫應力集中系數在2.08左右浮動，回采幫應力集中系數在1.75左右浮動。②孤島工作面回采過程中，軌順及運順兩幫均處于高應力集中狀態。軌順及運順回采幫應力峰值呈“馬鞍狀”變化，最大應力集中系數為2.53。

參考文獻：

[1]曹建軍，易恩兵.孤島工作面圍巖運移及沖擊破壞數值模擬研究[J].礦業安全與環保，2015，42（2）：20-23.

[2]孤島工作面采動回采巷道平移變形力學機制及控制技術研究[J].煤礦與安全工程學報，2015，32（4）：553-558.

[3]華心祝，劉淑，劉增輝，等.孤島工作面沿空掘巷礦壓特征研究及工程應用[J].巖石力學與工程學報，2011，30（8）：1646-1650.

[4]陳曉祥，王雷超，付東輝。孤島工作面動壓回采巷道平移變形力學機制及控制技術研究[J].采場與安全工程學報，2015，32（4）：553-558.

[5]張煒，張東升，陳建本，等.孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制[J].中國礦業大學學報，2014，43（1）：36-42.