基于FLAC3D的沿空巷道應力場演化規律

摘"要：沿空留巷是實現礦井安全高效開采的重要途徑之一，為了得出沿空巷道應力場演化規律，本文基本FLAC3D數值模擬軟件及現場監測數據對沿空巷道應力場分布情況進行研究分析。研究結果表明，巷道受到一次采動期間，柔模墻內部及巷幫兩側出現應力集中，超前工作面10m正幫應力集中數值為121MPa，頂底板出現“拱形”卸壓區，應力形式為拉應力，巷道在二次采動影響期間，巷道塑性區破壞深度大幅增加，兩幫塑性區破壞深度為2.5m，應力集中程度也急劇增長，超前工作面10m處正幫側集中應力達到139MPa。

關鍵詞：沿空留巷；FLAC3D；應力場分布

沿空留巷作為無煤柱開采的關鍵技術之一［13］，是實現礦井安全高效開采的重要途徑。但是沿空留巷需要將相鄰工作面的回采巷道保留下來作為當前工作面回采巷道使用，巷道受到采動及動靜載荷持續擾動影響［4］，礦壓顯現劇烈，巷道變形破壞較其他巷道留設方式大［5］，因此，掌握沿空留巷巷道應力場演化規律對維護巷道穩定性及巷道有效支護尤為重要。

1"工程概況

檸條塔礦井位于陜西省神木縣，現主采2-2煤，埋藏深度130～220m，煤層平均厚度2.1m，煤層結構較簡單、賦存穩定。本文以陜煤集團檸條塔煤礦N1215綜采工作面沿空留巷為背景，在N1215綜采工作面回采期間，采用柔模混凝土沿空留巷的方式，將N1215運輸巷道保留下來作為N1217綜采工作面回風巷道。通過使用數值模擬軟件，研究巷道在留巷期間不同位置應力演化規律，對比巷道在不同采動期間應力場分布情況，結合現場監測數據，分析巷道超前位置及滯后位置的礦壓數據變化、頂板離層及裂隙情況。

2"一次采動影響下巷道應力場演化規律

以檸條塔煤礦N1215工作面綜采沿空留巷工程地質條件為背景，采用FLAC3D軟件模擬沿空留巷期間巷道應力場演化規律，經過分析研究，對地質條件進行合理的簡化，最終建立模型尺度為600m×500m×60m；為消除邊界效應，留設50m寬度保護煤柱；巷道沿煤層底部留設，高度為3.5m，寬度為3.8m；隨著工作面的推進，在采空區側方進行柔模混凝土墻構筑，通過柔模混凝土墻支護將N1215運輸巷道保留下來作為下一個工作面的回風巷道；將模型四周邊界及下邊界設置為固定位移邊界。

由于初始應力場是分析開采空間圍巖應力重新分布的基礎，為較真實地進行工程模擬仿真，必須保證模擬開采前已存在的初始地應力場的可靠性。根據現場實際地質條件，模擬煤層的垂直初始應力，按其上覆巖層重量計算，上覆巖層的平均體積力為25kN/m3，在模型上部施加5.15MPa的垂直載荷，模擬上覆松散層自重，設定模型重力加速度為10m/s2，初始側壓系數為1.2。

數值模擬模型計算時采用摩爾庫倫破壞準則，由摩爾庫倫本構模型確定所需要的巖石力學參數，根據工程調研數據以及相鄰礦井地質資料，確定巖層及覆巖的物理力學參數。由于柔膜墻內采用C30混凝土配合對拉錨桿作為沿空留巷支護材料，因此，柔模混凝土墻仍然采用摩爾庫倫本構模型，通過實驗室測試及現場監測數據對柔模混凝土墻賦參，參數設置如下表所示。

模型建立后進行數值模擬計算，計算分析結果有以下方面。

2.1"一次采動影響下滯后工作面10m應力場演化規律

如圖1（a）所示，滯后工作面10m處巷道頂板塑性區最大深度為0.63m，底板靠近柔模墻側塑性區破壞深度為2.31m，破壞類型大部分為剪切破壞，存在部分拉伸破壞，幫部破壞深度較頂底板小，塑性區深度為0.44m，柔模墻未出現塑性變形；如圖1（b）所示，柔模墻內部出現垂直應力集中，數值為97MPa，除了巷道左側區域垂直應力形式為壓應力，其余各處均為拉應力，拉應力數值為0.82MPa；如圖1（c）所示，柔模墻內部最大主應力最大數值為101MPa，最大主應力與垂直應力分布一致，除了巷道左側區域最大主應力形式為壓應力，其余各處均為拉應力；如圖1（d）所示，巷道頂底板最小主應力為拉應力，拉應力數值為1.27MPa，最小應力最大值出現在巷道左側煤體內，最大數值為9.5MPa，柔模墻內部最小應力值為3.1MPa，拉力形式仍為拉應力。

2.2"一次采動影響下超前工作面10m應力場演化規律

如圖2（a）所示，超前工作面10m處巷道頂底板均未出現塑性變形，兩幫僅出現深度為0.47m的剪切破壞，巷道較為穩定；如圖2（b）所示，巷道頂底板出現“拱形”的卸壓區，在該區域內垂直應力較小，數值為0.02MPa，巷道幫部出現應力集中，正幫側應力集中數值最大，為13MPa；如圖2（c）所示，頂板的最大主應力較底板最大主應力數值較大一些，其余各處最大主應力以巷道為中心呈“橢圓形”輻射，隨著距離巷道越遠，最大主應力數值也隨之減小；如圖2（d）所示，最小主應力基本呈對稱分布，巷道頂底板最小主應力為拉應力，拉應力數值為0.04MPa，最小應力最大值出現在正幫側，最大數值為8.5MPa。

3"二次采動影響下巷道應力場演化規律

3.1"二次采動影響下超前工作面10m應力場演化規律

如圖3（a）所示，根據數值模擬分析可知，在二次采動過程中，當距工作面超前10m時，巷道在不同位置都發生了不同程度的破壞，巷道負幫靠近采空區，破壞程度相對較大，破壞深度達2.5m，巷道正幫底角破壞延伸較遠，達7.2m；如圖3（b）所示，垂直應力集中出現在柔模墻頂部和底部，垂直應力值最大達到了139.57MPa，而巷道正幫應力集中分布范圍較大，但垂直應力值相對較小，垂直應力值最大達到了34.89MPa；由圖3（c）可知，巷道最大主應力在巷道兩側出現了不同程度的集中情況，在靠近柔模墻頂底板處應力集中程度最大，最大值達到142.63MPa，其他地方應力值相對較小，且巷道正幫出現最大值為43.64MPa的最大主應力集中情況；由圖3（d）可以看出巷道周圍存在一定的拉應力，其拉應力最大為2.48MPa，其余為壓應力，其壓應力最大處出現在巷道正幫一側，為26.89MPa，且柔模墻頂部出現應力值最大為17.75MPa的最小主應力集中情況。

3.2"二次采動影響下超前工作面20m應力場演化規律

如圖4（a）所示，根據數值模擬分析可知，在二次采動過程中，當距工作面超前20m時，除了巷道正幫底角其他位置都發生了不同程度的破壞，巷道負幫靠近采空區，破壞程度相對較大，破壞深度達2.5m，巷道正幫也產生深度達5.2m的破壞；如圖4（b）所示，垂直應力集中出現在柔模墻頂部和底部，垂直應力值最大達到了139.15MPa，而巷道正幫應力集中分布范圍較大，但垂直應力值相對較小，垂直應力值最大達到了24.89MPa；由圖4（c）可知，巷道最大主應力在巷道兩側出現了不同程度的集中情況，在靠近柔模墻頂底板處應力集中程度最大，最大值達到1371MPa，其他地方應力值相對較小，且巷道正幫出現最大值為33.64MPa的最大主應力集中情況；由圖4（d）可以看出巷道周圍存在一定的拉應力，其拉應力最大為2.32MPa，其余為壓應力，其壓應力最大處出現在巷道正幫一側，為21.61MPa，且柔模墻頂部出現應力值最大為18.64MPa的最小主應力集中情況。

結語

巷道受到一次采動期間，柔模墻內部及巷幫兩側出現應力集中，應力集中數值最大為超前工作面10m正幫應力集中數值為121MPa，頂底板出現“拱形”卸壓區，應力形式為拉應力。巷道在二次采動影響期間，巷道塑性區破壞深度大幅增加，兩幫塑性區破壞深度最大為2.5m，應力集中程度也急劇增長，超前工作面10m處正幫側集中應力達到139MPa，根據數值模擬計算結果分析，沿空留巷柔模墻支護對維護沿空巷道穩定性、減弱重復采動下對巷道的擾動影響具有重要意義，通過構筑柔模墻支護能夠滿足保留巷道條件且正常回采需求。

參考文獻：

［1］華心祝，李琛，劉嘯，等.再論我國沿空留巷技術發展現狀及改進建議［J］.煤炭科學技術，2023，51（01）：128145.

［2］張東升，茅獻彪，馬文頂.綜放沿空留巷圍巖變形特征的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2002（03）：331334.

［3］謝文兵，笪建原，馮光明.綜放沿空留巷圍巖控制機理［J］.中南大學學報（自然科學版），2004（04）：657661.

［4］李迎富，華心祝，蔡瑞春.沿空留巷關鍵塊的穩定性力學分析及工程應用［J］.采礦與安全工程學報，2012，29（03）：357364.

［5］康紅普，張曉，王東攀，等.無煤柱開采圍巖控制技術及應用［J］.煤炭學報，2022，47（01）：1644.

作者簡介：曹宇翔（1987—"），男，漢族，陜西榆林人，碩士研究生，采礦工程師，主要從事煤礦開采技術方面研究。