基于FLAC 3D的動壓巷道應力場演化特征數值模擬分析

摘? 要：在煤礦開采中，工作面推進引起的圍巖應力場變化是導致巷道破壞、圍巖變形的重要因素之一，分析動壓巷道應力場演化對安全生產有著重要意義。根據工程實例，對受采動影響的巷道使用FLAC 3D軟件進行了數值模擬，并從應力場、位移場演化以及塑性區分布特征進行了分析，通過實地監測的數據對數值模擬分析進行了驗證，由此針對安全生產給出了上山保護煤柱尺寸應在100 m的建議。

關鍵詞：工作面；圍巖變形；應力場；數值模擬

中圖分類號：TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）04-0157-06

Numerical Simulation Analysis of Stress Field Evolution Characteristics of Dynamic Pressure Roadway Based on FLAC 3D

LI Yexu

（School of Mining Engineering， Anhui University of Science & Technology， Huainan? 232001， China）

Abstract： In coal mining， the change of surrounding rock stress field caused by working face advance is one of the important factors leading to roadway failure and surrounding rock deformation， and making an analysis on dynamic pressure roadway stress field evolution is of great significance for safe production. According to the engineering example， the numerical simulation of a roadway affected by mining is carried out by FLAC 3D software， and the characteristics of stress field， displacement field evolution and distribution of plastic zone are analyzed. The numerical simulation analysis is verified by the on-site monitoring data. Therefore， it is suggested that the size of the uphill protective coal pillar should be 100 m for safe production.

Keywords： working face; surrounding rock deformation; stress field; numerical simulation

0? 引? 言

研究動壓巷道的應力場演化特征，在判斷受采動影響的巷道穩定性、巷道破壞形式以及安全生產等多方面都有積極的意義[1-5]。本文結合祁南煤礦1017工作面實際情況，在現場地質勘察、力學試驗的基礎上，基于FLAC 3D軟件進行數值模擬[6-8]，分析該工作面在回采推進過程中應力場演化特征，并結合實地監測數據給安全生產提供了建議。

1? 工程概況

1.1? 工作面概況

1017工作面位于祁南煤礦水平101采區，地面標高22.5～23.2 m，工作面標高-393.0～-447.3 m。1017工作面位于101采區左翼第四區段，走向長795 m，傾斜長101/99 m。

1.2? 煤層頂底板情況

老頂：細～中粒砂巖，0～4.2 m，淺～深灰色，塊狀結構，夾有薄層粉砂巖，具水平層理。

直接頂：泥巖，0.5～2.2 m，深灰色，碎塊狀～塊狀，富含植物化石碎片。

直接底：泥巖，0～3.5 m，灰黑色～黑色，含炭質泥巖，含有植物化石碎片。

老底：粉砂巖，6.5～9.7 m，灰～灰黑色，塊狀結構，水平層理發育，含有植物化石碎片。1017工作面地質條件如表1所示。

1.3? 地質構造

工作面所在段整體地層為一單斜構造，走向為SN，傾向為E，煤層傾角為4～20°，平均傾角為10°局部煤層有一定的起伏變化。根據三維地震勘探資料和1015工作面揭露的地質情況分析，工作面內及其周圍小構造較為發育，H＜2 m斷層8條；2 m≤H＜5 m斷層3條，煤層有一定起伏變化，切巖附近約200 m受火成巖侵蝕影響，破壞了煤層的完整性。

2? 動壓巷道應力場演化特征數值模擬分析

2.1? 數值計算模型

數值計算模型參數依據祁南煤礦101采區1017工作面頂底板實際地質條件，模擬工作面開采過程中對前方巷道影響特征；數值計算模型尺寸：長×寬×高=250×400×220 m，共劃分185 688單元，模型網格劃分如圖1所示。

2.2? 動壓巷道應力場演化特征

工作面回采過程中，當煤壁距上山不同距離時工作面前方煤巖體支承壓力分布及上山圍巖垂直應力演化云圖如圖2所示，由圖2可知：

（1）上山掘進后，其巷道兩幫的垂直應力在3～15 m的范圍內以1.3左右的系數集中；巷道頂底板的垂直應力在一定范圍內上降低了，其煤巖體處于卸壓狀態。

（2）在工作面回采過程中，當工作面煤壁距離上山280～160 m時，因工作面回采而產生的超前支承壓力對上山圍巖應力分布幾乎沒有影響，上山圍巖垂直應力與上山剛開掘后垂直應力分布相當；此時煤壁前方支承壓力集中系數2.2左右。

（3）隨著工作面不斷向前推進，當工作面煤壁距離上山120 m時，因超前支承壓力對上山圍巖體應力分布產生影響，此時上山巷道兩幫垂直應力集中系數為1.48左右，較上山掘進后其應力集中程度有所增加，但增加值較小。

（4）隨著工作面的進一步推進，如當工作面距離上山100 m時，工作面超前支承壓力已對上山應力分布產生較大影響，從圖2（f）可見，此時上山靠近工作面一幫3～30 m范圍內垂直應力集中系數為1.6～1.88。

（5）當工作面煤壁距離上山60 m時，此時上山幫部垂直應力集中系數達到2.0左右，工作面超前支承壓力對上山巷道圍巖應力分布產生較大影響。

2.3? 動壓巷道位移場演化特征

工作面回采過程中，上山巷道圍巖變形曲線如圖3所示，由圖3可知：

（1）當工作面煤壁距離上山較遠時（200 m以外），上山圍巖變形量較小，此時巷道兩幫累計移近量為38 mm，頂底板累計移近量為45 mm；即超前支承壓力對上山的影響在距工作面煤壁較遠時比較微小。

（2）當工作面持續向前推進時，煤壁前方超前支承壓力影響范圍也向前移動，由圖中曲線斜率可知，當上山與工作面煤壁距離在200～110 m范圍時，此時曲線斜率變陡峭，即上山巷道圍巖變形增大，兩幫累計移近量增大到188 mm，頂底板累計移近量增大到249 mm。

（3）隨著工作面的進一步推進，圖中曲線斜率變得更加陡峭，即巷道圍巖變形速率增大，工作面回采產生的超前支承壓力對上山巷道產生劇烈影響，此時巷道圍巖破碎；工作面煤壁距上山巷道60 m時，上山巷道兩幫累計移近量達397 mm，頂底板累計移近量達520 mm。

2.4? 塑性區分布特征

工作面回采過程中，當煤壁距上山不同距離時工作面前方煤巖體塑性區分布及上山圍巖塑性區云圖如圖4所示，由圖4可知：

（1）上山掘進后，巷道頂部部分煤巖體處于剪切和拉伸狀態，此時若支護強度滿足要求，塑性區將不再擴展。

（2）隨著工作面的推進，工作面頂底板由于受回采的影響，其頂底板煤巖體產生拉剪破壞，頂板塑性破壞區達60 m左右高度，底板塑性破壞區達35 m左右深度；工作面煤壁前方煤巖體拉伸破壞。

（3）工作面煤壁距離上山120 m以外范圍時，由于工作面回采而產生的超前支承壓力對上山圍巖塑性區產生的影響較?。划敼ぷ髅婷罕诰嚯x上山120 m以內范圍時，上山巷道圍巖的塑性區在工作面超前支承壓力的影響下持續擴大，破壞形式為剪拉破壞，此時將導致巷道產生較大變形及破壞。

3? 1017工作面超前支承壓力實地監測數據與分析

在祁南煤礦1015軌道巷中布置4組鉆孔應力計，用于監測與研究1017工作面超前支承壓力的分布規律。

1#鉆孔應力計安裝在1015軌道巷煤體內，距離1#聯巷下口平距7 m處，安裝深度為8 m，測得巷道圍巖應力變化曲線如圖5所示，由圖5可知：

（1）從1017工作面煤壁到1#應力計安裝位置距離為305 m，當應力計和工作面之間的距離大于120 m時，測得的圍巖應力值從9.4 Mpa上升到了11.31 Mpa，上升幅度為1.91 Mpa，變化速率為0.03 Mpa/d，這個時候工作面超前支承壓力對圍巖的影響很微小。

（2）工作面持續向前推進，直至應力計與工作面之間距離為120～60 m時，巷道圍巖應力的上升幅度和變化速率均呈現出增大勢頭，圍巖應力值從11.31 Mpa上升到了13.54 Mpa，上升幅度為2.23 Mpa，應力的變化速率為0.062 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對前方120 m處的圍巖已經產生了影響。

（3）當工作面繼續向前推進至與應力計相距60～20 m時，圍巖應力又從13.54 Mpa上升到了15.8 Mpa，變化速率為0.078 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對前方60 m處的巷道圍巖有了急劇的影響。

2#鉆孔應力計安裝在1015軌道巷煤體內，距離1#聯巷下口平距27 m處，安裝深度為8 m，測得巷道圍巖應力變化曲線如圖6所示；由圖6可知：

（1）從1017工作面煤壁到2#應力計安裝位置距離為325 m，當應力計和工作面之間的距離大于120 m時，測得的圍巖應力值從8.96 Mpa下降到了8.72 Mpa，下降幅度為0.2 4Mpa，變化速率為0.003 Mpa/d，易知這個時候工作面超前支承壓力對圍巖的影響很微小。

（2）工作面持續向前推進，直至應力計與工作面之間距離為120～65 m時，巷道圍巖應力的上升幅度和變化速率均呈現出增大勢頭，圍巖應力值從8.72 Mpa上升到了9.89 Mpa，上升幅度為1.17 Mpa，應力變化速率為0.033 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對前方120 m處的圍巖已經產生了影響。

（3）當工作面繼續向前推進至與應力計相距65～45 m時，圍巖應力又從9.89 Mpa上升到了10.87 Mpa，變化速率為0.07 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對前方65 m處的巷道圍巖有了急劇的影響。

3#鉆孔應力計安裝在1015軌道巷煤體內，距離1#聯巷下口平距57 m處，安裝深度為8 m，測得巷道圍巖應力變化曲線如圖7所示，由圖7可知：

（1）從1017工作面煤壁到3#應力計安裝位置距離為355 m，當應力計和工作面之間的距離大于135 m時，測得的圍巖應力值從8.84 Mpa下降到了8.6 Mpa，下降幅度為0.24 Mpa，變化速率為0.003 Mpa/d，易知這個時候工作面超前支承壓力對圍巖的影響很微小。

（2）工作面持續向前推進，直至應力計與工作面之間距離為120～75 m時，巷道圍巖應力變化速率出現上升勢頭，圍巖應力從8.6 Mpa上升至9.24 Mpa，上升幅度為0.64 Mpa，應力變化速率為0.016 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對前方120 m處的圍巖已經產生了影響。

總體來說，該段巷道受采動影響較小。

4#鉆孔應力計安裝在1015軌道巷煤體內，距離1#聯巷下口平距82 m處，安裝深度為8 m，測得巷道圍巖應力變化曲線如圖8所示，由圖8可知：

（1）從1017工作面煤壁到4#應力計安裝位置距離為380 m，當應力計和工作面之間的距離大于279 m時，測得的圍巖應力值從8.01 Mpa下降到了5.82 Mpa，下降幅度為2.19 Mpa，變化速率為0.078 Mpa/d，該監測期間，巷道圍巖壓力減小。

（2）工作面持續向前推進，直至應力計與工作面之間距離為160～100 m時，巷道圍巖應力變化速率有了上升勢頭，圍巖應力從5.88 Mpa上升至6.83 Mpa，上升幅度為1.01 Mpa，應力變化速率為0.024 Mpa/d，說明工作面超前支承壓力對前方160 m處的圍巖已經產生了影響；工作面向前推進距離越大，采動影響逐漸增大。

總體來說，該段巷道受采動影響較小。

4? 1017工作面附近巷道群圍巖變形監實地測數據與分析

在祁南煤礦1017工作面附近巷道布置頂板離層儀，用于監測巷道群圍巖變形數據。

頂板離層儀安裝時，距離工作面387 m。由圖9曲線可得，隨著工作面的推進，巷道圍巖相對移近量逐漸增大。具體情況如下：距離工作面387 m到155 m時，圍巖變形幾乎沒有變化，10 m、7 m、4 m、2 m測點各自下部巖層累計移近量分別為：0 mm、0 mm、0 mm、0 mm；最大相對移近速度分別為0 mm/d、0.83 mm/d、0. 67 mm/d、0.13 mm/d。距工作面155 m到113 m時，各測點相對于距離工作面387 m到155 m監測期間的測點移近速度變大，相對移近量明顯增大。10 m測點下部巖層累計移近量為0 mm；7 m測點下部巖層累計移近量從0 mm增大到20 mm；4 m測點下部巖層累計移近量由0 mm增大到10 mm；2 m測點下部巖層累計移近量由0 mm增大到9 mm。整個監測期間得到10 m、7 m、4 m、2 m測點各自下部巖層最大相對移近量分別為2 mm、6 mm、6 mm、3 mm；最終累計移近量分別為0 mm、20 mm、10 mm、9 mm；最大相對移近速度分別為0.67 mm/d、1.5 mm/d、1.25 mm/d、1 mm/d。

5? 結? 論

綜上所述，有以下結論與認識：

由基于FLAC 3D的數值模擬分析可知，工作面回采產生的超前支承壓力影響范圍為100 m左右，當工作面煤壁距離上山100 m范圍內時，超前支承壓力將對上山產生較大影響，巷道的破壞形式主要為拉剪破壞。

1015軌道巷鉆孔應力計監測數據表明：1017工作面開采對101采區巷道群的影響范圍可以波及回采工作面前方100～120 m；工作面推到距測點40～60 m時，巷道受工作面采動影響劇烈；采動影響劇烈期，測點處超前支承壓力增長速度達到0.07～0.08 MPa/d，壓力增長較明顯。

實地監測的應力數據與數值模擬分析數據基本吻合，實地監測的應力數據支持數值模擬的分析。因此，為了保證上山巷道的穩定，不給安全生產帶來影響，上山保護煤柱尺寸應在100 m左右。

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作者簡介：李業旭（1996—），男，漢族，安徽宣城人，碩士研究生在讀，研究方向：礦山資源開發與管理。

收稿日期：2022-09-29