某煤礦沿空掘巷工作面煤柱寬度影響數值模擬

趙云峰

（中煤新集能源股份有限公司）

目前，煤礦企業多采用沿空掘巷方式進行回采巷道布置，既提高煤炭回采率，同時減少巷道布置的施工投入［1-2］。留小煤柱的目的是將巷道與采空區隔離，但隨著礦井開采深度的增大，護巷煤柱寬度越來越大，使得煤炭采出率降低，同時又不利于防治煤壁片幫和煤炭自燃等災害［3-5］。

采用沿空掘巷進行布置的區域，其周邊圍巖應力環境與圍巖破碎情況與常規回采巷道相比，具備應力低、易支護、掘進難度小的優點［6-8］。由于留設煤柱寬度直接影響巷道穩定性，因此，確定合理的煤柱寬度是沿空留巷設計的關鍵問題。

1 沿空掘巷煤柱變形影響因素

由于井下現場環境不穩定、空間有限，因此采用室內實驗的方式對所選煤巖樣品進行測試，可以準確地反映煤樣受力特征，便于分析其強度與變形規律，為井下煤柱留設提供有效的參考［9］。

窄煤柱變形主要與以下2個因素有關。

（1）巷道頂板移動與穩定性。當大結構處于運動或不穩定狀態時，將會引起窄煤柱上載荷的增加，使窄煤柱的變形進一步加大；而該結構處于相對穩定狀態時，載荷可認為是恒定的，此時窄煤柱的變形只與其承載能力有關。

（2）窄煤柱的支護強度。采用錨桿支護時，可以通過錨桿對其錨固范圍內圍巖強度的強化，為窄煤柱提供一定的側向約束，使窄煤柱的承載能力提高，在一定程度上抑制窄煤柱向巷道內的位移。

2 數值模擬方法

2.1 有限元分析軟件ANSYS

作為一個大型CAE分析軟件，ANSYS自20世紀70年代誕生以來，隨著計算機和有限元理論的發展，在各個領域得到廣泛的應用［10］，隨著版本的更新，分析能力和各項操作功能都得到了更好的完善和發展（圖1），它是融結構、流體、磁場、電場、聲場等分析與一體的大型通用有限分析軟件［11］。

2.2 有限差分FLAC3D基本原理介紹

FLAC3D與基本離散元法相似，但克服了離散元法的缺點，吸收了有限元法適用于各種材料模型及邊界條件的非規則區域連續問題的優點［12］。

2.3 模型的基本設計原則

（1）構建模型時突出影響煤柱和巷道穩定的主要因素，要對模型各因素進行概化，分清主次，并盡最大可能考慮其他一些次要的因素，以盡量達到與工程實踐接近。

（2）模型賦值時，要結合工程現場及實際力學特性，反映巖層自然條件下的分層結構。

（3）在數值模擬過程中無法充分考慮地下工程的全尺度范圍，因此，建立的模型必須要有比較合理的邊界條件。

3 模型與賦值

3.1 模型的建立

在建立模型時，主要考慮在某煤礦采空區的一側進行沿空掘巷工程，此時采空區基本處于穩定狀態。首先對沿空掘巷圍巖的應力應變進行分析，其次主要考慮不同煤柱寬度對巷道圍巖應力應變以及變形的影響，最后在特定的煤柱寬度下對巷道的支護方法和巷道的斷面提出合理的建議。由于模擬的是采空區和沿空掘巷的工程實踐，在充分考慮采空區對整個巖層圍巖變形的影響后，建立如下模型：模型的大小為160 m×100 m×2 m，假設頂板充分垮落，采空區壓實，模擬采空區冒落矸石的各項巖層參數為頂板的0.1［13］。井下巷道埋深830 m，在模型中賦值相應的地層壓力，采用零位移的方法來確定模型的底邊界和左右邊界，即水平位移設置為零，垂直位移不為零。利用ANSYS對模型進行建立及網格劃分，依據現場實際地質情況，模型建立時傾斜8°（左低右高），再導入FLAC3D進行力學特性的賦值，其模型如圖2所示。

3.2 力學參數確定

根據相關地質資料及相關巖石力學實驗結果，確定煤層和主要巖層的物理力學參數，有關力學參數計算關系式［14］如下。

式中，G為剪切模量，MPa；K為體積模量，MPa；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比。

沿空回采巷道埋深在830 m左右，模型上方的垂直應力由上覆巖層的自重應力產生，其計算公式為

式中，γ為巖層密度，kg/m3；H為巷道埋深，m。

經計算，模型上方施加的應力值σG=2 500×10×765=19.125（MPa）。

取側壓系數為1進行應力加載，在模型運算時，因為模型的均質性與實際情況存在差異，因此人為對數據進行折減，通過計算獲得減小因子計算公式［15］

通過計算，得到各煤巖體的減小因子（表1）及沿空回采巷道周圍巖體的物理參數（表2）。

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4 數值模擬結果分析

4.1 側方實體煤支承壓力和位移分析

通過數值模擬軟件，在煤層中部設監測線，經過數據的提取和處理，得到距離上部采空區一定距離的水平應力和垂直應力，應力曲線變化趨勢見圖3。對上區段工作面的開采過程中，破壞了采場圍巖應力的初始平衡，使得回采期間四周的巖層應力進行重分布，煤層開采后在采空區上部形成一個起著關鍵作用的弧形三角結構，采空區上覆巖層將形成一個新的平衡支撐點，以達到應力平衡。

由于受到上部的采空區影響，豎直應力整體呈現出先增大然后減小的趨勢，峰值出現在距離采空區11 m的地方，根據垂直應力的特點，可以分為以下3個區。

（1）應力減低區。由垂直應力變化趨勢（圖4）可以看出，在距離采空區0～8 m，所承受應力比原巖應力低的區域，稱為應力降低區。該區域的應力比較低，是由于在煤層回采后，煤體邊緣在高應力的作用下，造成煤體塑性屈服，形成比較明顯的裂痕，從而造成圍巖的承載力降低。

（2）應力增高區。在距離采空區8～30 m為應力升高區，應力峰值距離采空區邊界11.9 m，其峰值為47.9 MPa。

（3）原始應力區。在支承壓力達到峰值后，對煤體的影響開始減小，最終在距離采空區一定距離后緩慢進入原始應力狀態下。

4.2 不同煤柱寬度下回采巷道模擬分析

在采空區側方圍巖應力重新達到平衡后，由于新掘巷道的施工，會打破原來已經達到的平衡狀態，造成應力的二次分布。通過FLAC3D模擬出不同煤柱寬度下的巷道圍巖水平應力和垂直應力，并在模型中心設置1條水平測線，以觀測在水平測線的垂直應力和水平應力數據大小情況，其垂直應力分布云圖和水平應力分布云圖如圖4和圖5所示。

根據不同煤柱寬度下的圍巖豎直應力分布云圖（圖4），在沿空巷道掘進后，可以得出圍巖的豎直應力分布具有下面幾個主要特征。

（1）豎直應力的峰值隨護巷煤柱寬度變化而變化，煤柱內的豎直應力峰值出現的位置隨煤柱的寬度增加而緩慢靠向采空區，且峰值越來越大。

（2）在巷道的水平方向，豎直應力變化比較大，尤其是沿實體煤方向，豎直應力增加趨勢比較大，在距離巷道中心一定距離形成一個應力集中區，這是新的支承壓力形成所造成的。

（3）巷道開挖后，造成其圍巖應力重新分布，其原來所承受的豎直應力發生了應力轉移，使巷道所處的應力環境降低。

（4）對于不同寬度的煤柱，巷道圍巖的豎直應力變化比較緩慢，新形成的支承壓力所形成的應力集中位置也基本相同。

由圖5可以得出圍巖的水平應力分布具有下面幾個特征。

（1）巷道水平應力趨于巷道的中心垂線呈對稱分布，在距離巷道中心位置一定距離內，巷道圍巖的水平應力也與水平的中心線大致呈現對稱分布。

（2）巷道所承受的水平應力從采空區邊緣到應力峰值出現位置是兩頭大、中間比較緩。

綜上可以看出，在沿空巷道開挖后，巷道周圍的圍巖應力重新分布，不同的煤柱周圍應力峰值大小和位置也發生了明顯的變化，煤柱寬度的合理范圍在5 m左右。

5 結 論

（1）上部采空區的采動會引起巷道圍巖應力的重新分布，在采空區側方實體煤中形成1個應力集中區，這個區域距采空區11 m左右處，確定巷道位置時應避開此區域。

（2）巷道中無論是垂直應力還是水平應力均以巷道中心線基本呈現出對稱分布。不同煤柱寬度下，巷道的垂直應力基本都大于巷道的水平應力。

（3）在采空區側方實體煤體中，距離采空區11 m左右處于應力集中區，在此處布置巷道，維護最困難。在確定合理的煤柱寬度時，應盡可能保證巷道的收斂變形量較小，使煤柱中心存在的位移量也比較小，且比較穩定。遵照有利于巷道維護和節約資源的原則，煤柱寬度應留設為5 m。