厚煤层回采巷道开挖位置选择数值模拟

郝为宁

(河南能源化工集团鹤壁煤业(集团)有限责任公司五环分公司， 河南鹤壁市 458000)

厚煤层回采巷道开挖位置选择数值模拟

郝为宁

(河南能源化工集团鹤壁煤业(集团)有限责任公司五环分公司， 河南鹤壁市 458000)

利用数值模拟软件，分析了厚煤层中巷道不同开挖位置时巷道围岩的稳定性。运用FLAC3D数值模拟软件建立了三维数值计算模型，对沿顶板和底板掘进巷道进行了数值模拟分析。分析了巷道开挖后巷道围岩的位移场、应力场分布和围岩塑性区分布。分析表明，在厚煤层的情况下，巷道布置在顶板的塑性区范围小于在底板时的范围，2种布置方式的应力分布特征变化不大，沿底板掘进时，帮部和顶板的垂直和水平位移都较大。总的来看，巷道布置在顶板优于布置在底板。

厚煤层；巷道位置；稳定性；数值模拟

厚煤层巷道的顶底板及两帮都较软，使在掘进和回采时巷道易发生片帮、冒顶，巷道围岩整体变形量大，并且易受工程扰动的影响，严重影响工作面的安全高效生产[1-4]。受地质条件的影响，往往采用不同的布置和支护方式。运输平巷一般沿底板布置，回风平巷一般沿顶板布置。对于巷道位置处于不同岩层中已经有了一些研究，得到了一些规律和经验[5-8]，但对于厚煤层巷道沿顶板和底板掘进这2种情况还少有分析。对厚煤层巷道来说，巷道布置位置不同其应力的分布状态和变形特征是不同的，选择一个合适的巷道位置，对控制围岩巷道变形十分重要。本文借助数值模拟软件，分析了巷道在沿顶底板2种不同位置时的应力分布和位移变化特征。

1 工程概况

鹤煤五环分公司3303工作面位于五矿下山采区南翼，煤层底板标高为－475～－480.7m。3303回风平巷掘进工作面的煤层为二叠系山西组二1煤层，巷道位置如图1所示，平均煤厚为8.27m。煤层走向变化较大，煤层走向变化范围5°～91°。煤层倾角16°～18°，平均倾角17°。遇断层时煤层局部倾角变化较大。3303回风平巷掘进工作面南部为3301工作面采空区；东南部为F40－1断层防水煤柱；西部为三水平延深轨道下山；北部为3303工作面实体煤。整体构造形态为单斜构造。

2 数值模拟实验

2.1 数值计算模型及参数

数值分析模型参数根据鹤壁煤业公司五环分公司回采巷道实际情况简化后而得到。据钻孔资料分析，局部有褶曲等构造，总构造变化不大，3303工作面伪顶基本不发育，巷道顶底板岩性分别为:伪顶炭质泥岩、直接顶细粒砂岩、老顶中细粒砂岩、直接底砂岩和基本底灰岩。

图1 巷道位置和空间示意

数值模拟采用FLAC3D数值模拟软件，建立模型比较复杂，故模型建立在ANSYS中进行，然后导入到FLAC3D中进行计算与分析。模拟的长×宽×高＝70m×60m×2m，采用摩尔－库仑模型，应变模式采用大应变模式，模型边界无水平位移，底部边界为固定约束，巷道平均埋深为300m，顶部施加与埋深相对应的压应力为8 MPa。数值计算和受力条件如图2所示。巷道下帮和上帮高度分别为2500mm和3800mm，分别沿顶和沿底布置巷道进行模拟。开挖前先进行初始地应力平衡计算，然后开挖巷道。

2.2 巷道围岩塑性区分布特征

巷道开挖以后在垂直应力的作用下，应力重新分布，巷道周边将发生破坏，由此将会产生塑性区，塑性区分布如图3所示。一般巷道两帮的塑性区的范围要大于顶底板的塑性区，并随着时间的推移塑性区的范围逐渐增大。由图3可以看出，巷道沿底板布置时，顶板的塑性区范围比沿顶板布置时的范围大，主要原因是由于沿底板布置时，顶板为软弱的煤层，强度低，巷道开挖后将会发生较大的变形。塑性区的最高边界在底板掘进时的范围要比沿顶板掘进的范围大，其主要原因是顶煤破坏后不能对顶板提供支护力，进而使得破坏范围大，而沿顶板时支护结构直接作用于顶板岩层施加支护力，使得沿顶板掘进时塑性区范围大。由塑性区的分布可以看出，沿顶板布置巷道时塑性区要小于沿底板布置巷道时的塑性区。沿顶板布置时，塑性区体积为94.6；沿底板掘进时，塑性区体积为107.7。

2.3 巷道应力分布特征

图2 计算分析模型

图3 塑性区分布

2种布置方式的垂直应力分布如图4所示。由图4可以看出，2种布置方式的垂直应力分布特征很相似，应力集中主要出现在顶板、右帮和底板，左帮角的应力集中较右帮角的集中程度小，由于煤层倾角的原因，左角的应力集中较右下角小。

2.4 巷道围岩变形分布特征

图4 垂直应力分布图

距巷道表面不同距离的围岩水平、垂直位移分布如图5和图6所示。巷道沿顶板时，位移量最大出现在底板，最大底鼓量达到了83mm，且最大底鼓量发生在巷道底板中部，巷道顶板垂直位移最大达到17mm，由于巷道沿顶板掘进，底板为软弱煤层，顶板为坚硬岩层，使得底板变形量较大。沿底板掘进时，最大位移量出现在顶板，顶板下沉量最大出现在巷道右上方，达到了83mm，底板最大位移量达到了53mm。巷道沿底板掘进时，底板垂直位移量比沿顶板掘进时的明显要大，顶板位移反之。因此巷道沿底板掘进时，应当重点支护顶板的煤体和两帮的煤；巷道沿顶板掘进时，重点支护底板。

图5 垂直位移分布

图6 水平位移分布

由图6可以看出，巷道沿顶板掘进时，左帮最大位移量为48mm，右帮最大位移为75mm；巷道沿底板掘进时，两帮最大位移都达到了77mm。巷道沿顶板掘进时，水平位移量要小于沿底板掘进时的水平位移量。

3 变形破坏特征分析

巷道的破坏过程受众多因素的影响，巷道破坏过程是一个相当复杂的过程。巷道开挖以后其应力重新分布，如果支护体不能及时支护，控制围岩的变形，围岩自身状况将会恶化，两帮将由表面开始破坏并逐渐向巷道深部围岩延伸，然后逐渐趋于稳定。巷道沿不同位置掘进后，将会出现不同的破坏特征和形态，经过一段时间巷道变形严重，必须进行返修或加强支护，才能保证工作面正常的生产。

在厚煤层中沿顶板掘进，巷道顶板为岩层，底板为实体煤，在这种情况下巷道的破坏特征主要是底鼓现象突出。大部分巷道底板不采取支护手段，使得沿顶板掘进时底鼓现象更加严重。支护的重点是控制底鼓。

在厚煤层中沿底板掘进时，底板为岩层，顶板为实体煤，巷道破坏特征主要是顶板易于冒落，特别是煤层特别厚时，顶板锚杆不能锚固到坚固岩层之中，使得锚杆支护范围内围岩不能形成稳固的锚固体，不能保证顶板的整体稳定性。

4 结 论

在选择巷道掘进位置时，应当考虑到巷道周边的围岩环境，在厚煤层中进行开挖时，沿顶板底掘进巷道时重点支护的对象是不同的。沿顶板掘进时，重点控制底板的软弱实体煤；沿底板掘进时，重点控制的是顶板和两帮。在厚煤层中选择巷道掘进位置时，优选沿顶板掘进，巷道围岩位移和塑性区均较沿底板掘进时小，巷道稳定性较好。

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2015-06-25)

郝为宁(1987－)，河南辉县人，男，汉族，助理工程师，主要从事矿山压力及巷道支护方面工作，Email:haown1987＠163.com。