工作面過老巷受力變形數(shù)值模擬研究

＊魏啟明 楊宗泉 王虎 張海龍 胡亞軍 劉玉德

（1.國家能源集團寧夏煤業(yè)公司石槽村煤礦 寧夏 750000 2.華北科技學(xué)院礦山安全學(xué)院 河北 065201）

隨著不斷延伸的礦井資源進行整合與開采，許多煤礦在設(shè)計采煤工作面時通常會將老巷劃入其中，從而增加工作面的走向長度，減少浪費，但老巷對工作面的回采有很大的影響。回采期間面臨過巷、穿巷、斜交等問題以及頻繁的揭露老巷，增加了工作面回采期間的頂?shù)装搴蛧鷰r變形的難度[1-2]。張鵬等[3]針對不同層位的老巷采用多種方法實現(xiàn)工作面回采，對類似情況的工作面具有重要的參考價值；侯曉松[4]針對回采時過老巷群問題，依據(jù)FLAC3D模擬超前支撐壓力下的老巷群覆巖應(yīng)力分布規(guī)律，實現(xiàn)了快速穩(wěn)定的過老巷群；蘇德華等[5]以蕩嶺煤礦100105工作面的回采工作總結(jié)出過老巷回采的一套頂板管理、過斷層管理及通風(fēng)管理等保障技術(shù)措施；詹建民等[6]在回采實踐中采用仰采以及平交過老巷時采用斜交的方法有效控制工作面頂板并保證老巷安全回采；成云海等[7]在防止沖擊地壓造成跨巷道大面積破壞采用極近距離跨采圍巖控制技術(shù)和過老巷處理技術(shù)，并取得預(yù)期成效。

以某工作面為研究背景，采用FLAC數(shù)值模擬，研究工作面過老巷過程中（工作面開切眼與老巷相距240m）的位移與應(yīng)力分析，通過位移量和應(yīng)力變化狀態(tài)下判斷老巷變形程度，從而提出更有效的圍巖支護技術(shù)且保證開采安全。

1.工程概況

圖1 工作面過老巷位置

工作面位于5煤層，采高5.5m，煤層傾角4°，埋深315～424m，工作面長度140m，采用大采高一次采全高工藝。老巷與工作面在同一煤層，相互垂直，均沿煤層底板掘進形成。老巷斷面寬度為7.4m，高度為3.5m。當(dāng)工作面開采240m時，老巷與工作面貫通，且頂部2m厚的煤層一同被開采。工作面頂?shù)装鍘r性，如圖2所示。

圖2 工作面各巖層巖性

2.巷道采動影響模擬分析

(1)模型建立

根據(jù)開采參數(shù)建立三維數(shù)值模型，其特點如下：5#煤層高度5.5m，煤層傾角4°，沿煤層走向（x方向）開采，工作面開采長度240m，保護煤柱寬度50m，工作面沿y方向布置。模型總長度為400m，工作面推進方向（x方向）為400m，工作面推進240m，模擬巖層總厚度為120m，模型上部邊界施加等效于未建立巖層的應(yīng)力7.5MPa。該工作面前后邊界取50m，左右邊界取50m。本構(gòu)模型為摩爾庫倫模型（Mohr-Coulomb）。模型約束條件為：上邊界為自由邊界，底邊界為全約束，左右邊界為單邊約束。如圖3所示。覆巖力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

圖3 數(shù)值計算模型

表1 模型覆巖力學(xué)參數(shù)

(2)老巷位移變化分析

本次實驗分別模擬了工作面推進100m、150m、200m、240m時，采動對老巷（主巷與煤房）的變形影響。

在數(shù)值模型中，分別在老巷的主巷（煤房）內(nèi)嵌入頂?shù)装迮c兩幫位移監(jiān)測點，觀測主巷與煤房位移變形規(guī)律，如圖4～圖6所示。

圖4 主巷圍巖變形量

圖5 煤房（靠近工作面?zhèn)龋﹪鷰r變形量

圖6 煤房（遠離工作面?zhèn)龋﹪鷰r變形量

由圖4～圖6可知：（1）老巷的頂?shù)装搴蛢蓭鸵平侩S工作面推進不斷增大，一直到工作面推過老巷。（2）老巷頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔兓俾试诠ぷ髅嫱七M0～150m處變化很小，巷道周圍壓力造成的變形變化微弱；變化速率從150m左右開始陡增，巷道周圍的變形突變。（3）工作面推進0～150m處，主巷兩幫位移變化量小于頂?shù)装逦灰谱兓浚煌七M150～240m處，老巷兩幫位移變化量大于頂?shù)装逦灰谱兓浚幻悍績?nèi)圍巖變形規(guī)律與主巷一致。可見，老巷圍巖變形的主要因素由地應(yīng)力轉(zhuǎn)為工作面采動引起的二次應(yīng)力。

(3)老巷受力變化分析

本次實驗分別模擬了工作面推進100m、150m、200m、240m時，采動對老巷（主巷與煤房）的應(yīng)力變化。在數(shù)值模型中，分別在老巷的主巷（煤房）內(nèi)嵌入頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)力監(jiān)測點，觀測主巷與煤房受力變化，如圖7～圖9所示。

圖7 主巷圍巖應(yīng)力變化

圖8 煤房（靠近工作面?zhèn)龋﹪鷰r應(yīng)力變化

圖9 煤房（遠離工作面?zhèn)龋﹪鷰r應(yīng)力變化

由圖7～圖9可知：老巷的應(yīng)力變化與變形規(guī)律基本一致。在工作面開采前期，老巷未收到應(yīng)力擾動，其受力狀態(tài)已穩(wěn)定。當(dāng)工作面開采150m后，開采應(yīng)力波及到老巷，老巷應(yīng)力呈加速遞增。

3.工業(yè)性實踐驗證

為驗證數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性，分別在老巷（主巷與煤房）頂板與兩幫開展了十字點法與鉆孔應(yīng)力測試，探測工作面采動對老巷（主巷與煤房）的影響。由圖10與圖11可知，實測得到的老巷應(yīng)力與變形特征和模擬結(jié)果較為相似。但工業(yè)性實測中，老巷應(yīng)力變化是明顯超前于位移就開始發(fā)生變化，并且應(yīng)力在達到峰值后出現(xiàn)了拐點。

圖10 老巷位移變化

圖11 老巷應(yīng)力變化

4.結(jié)論

（1）工作面開切眼與老巷相距240m，當(dāng)工作面推進至距離老巷90m范圍外，老巷應(yīng)力位移變化極小；距離老巷90m范圍內(nèi)，變形速率陡增。

（2）工作面過老巷期間，老巷（主巷與煤房）兩幫位移量由小于頂?shù)装逦灰屏哭D(zhuǎn)為大于頂?shù)装逦灰屏浚舷铮悍浚﹪鷰r變形主控因素由地應(yīng)力轉(zhuǎn)為工作面動壓。

（3）靠近工作面一側(cè)煤房所受的圍巖變形大于遠離工作面一側(cè)的煤房，需將靠近工作面一側(cè)的煤房的支護進行加固。

（4）進行了工程實測，驗證了模擬的準(zhǔn)確性；模擬方法可為同條件開采提供參考。