边角煤回采对附近巷道群影响程度数值模拟分析

房丰洋　郝庆利　杨永刚

内蒙古煤矿安全监察局　呼和浩特　010010

边角煤回采对附近巷道群影响程度数值模拟分析

房丰洋郝庆利杨永刚

内蒙古煤矿安全监察局呼和浩特010010

以某矿边角煤Ⅱ6112改造工作面以及附近永久巷道群为研究对象，采用FLAC3D三维有限差分软件和UDEC二维离散元数值计算软件分别计算了该工作面回采对保护煤柱内的二水平副暗斜井、内水仓、外水仓、二水平泵房等巷道内的应力、变形规律进行了研究，分析表明改造工作面的回采对巷道影响不大，采取适当加固措施后巷道能够保持稳定。研究成果对指导工程实践、丰富边角煤开采矿压理论具有一定的理论和实际意义。

边角煤回采影响巷道群应力变形

引言

随着煤炭资源的不断开采，一些生产寿命进入中后期的矿井为了减少煤炭资源损失，增加矿井经济效益，边角煤的开采逐渐成为了生产的重点［1-3］。布置在此类条件下的工作面应力环境、顶板垮落形态等与普通工作面是完全不同的，由于该类改造的工作面靠近保护煤柱，对于保护煤柱内的永久巷道群必然会产生一定影响［4-6］。由于边角煤改造工作面矿压显现的异常，其采动条件下工作面四周围岩的应力发展变化是随工作面推进不断变化的复杂的时空过程，具有不可视，不可触，不可预见的特点，给处在此应力环境中的永久巷道群的稳定性带来不确定性，是否需要加固、加固参数如何确定，是矿井面临的重大问题。某矿Ⅱ6112改造工作面与附近永久巷道群（二水平副暗斜井、内水仓、外水仓、二水平泵房）属于此类开采环境下，永久巷道群的稳定关系到整个矿井的安全生产，改造工作面的资源回收与确保巷道群的稳定是煤矿生产者面临的重大抉择。因此，采用数值计算方法研究改造工作面回采过程中附近永久巷道群的变形、应力变化规律，分析判断巷道的稳定状态，对指导工程实践、丰富边角煤开采矿压理论具有重要的理论和实际意义［7-8］。

1.工程概况

某矿Ⅱ6112改造工作面位于Ⅱ61采区下部的东部边缘，西部边界为落差70m的采区边界——孟口逆断层。Ⅱ6112工作面切眼距离孟口断层约150m，南部为二水平北翼轨道大巷保护煤柱，东部为二水平回风下山保护煤柱。工作面形状不规则，基本上为两个梯形块段，切眼标高在-551.5m～-588.5m之间。Ⅱ6112工作面平均倾角12°，工作面煤层厚度在2.35m～3.40m之间，平均煤厚为2.80m，见图1（a）所示。

Ⅱ6112工作面斜下方四条巷道永久巷道可能受该工作面开采影响，分别为：二水平副暗斜井水平距离为71m；外水仓、内水仓的水平距离分别为80m、98m，二水平泵房与工作面最近的水平距离为65m，各巷道标高相同，与六煤垂直距离13m左右。如图1.1所示。四条巷道断面形状均为直墙圆拱，二水平泵房净宽4.7m，净高5.4m，断面积23.4m2；其余巷道净宽3.2m，净高3.6m，净断面积10.4m2。巷道在工作面回采前进行了加固，采用锚梁网+浇筑混凝土混合支护：锚杆间排距为900mm×900mm，锚杆规格为φ20× 2，000mm；支护完成后及时浇筑混凝土，钢筋龙骨用纵筋Φ 18mm、箍筋Φ10mm的钢筋扎制，两帮及顶板浇筑厚度500mm，底板300mm，混凝土标号C30。

图1　工作面及附近巷道三维模型及测点布置图

2.三维数值模拟计算分析

2.1模型建立

根据煤矿地质资料，确定数值计算力学模型，模型长× 宽×高分别为550m×400m×300m，工作面沿x向推进。采用摩尔库伦本构模型，应变模式采用大应变变形模式，模型底部限制垂直移动，上部施加上部岩层等效载荷12MPa，模型前后和侧面限制水平移动，侧压系数取1.2。由于计算模型比较复杂，使用CAD、NSYS软件建模，然后导入FLAC3D软件进行计算。整个模型由49，820个单元组成，包括56，496个节点。

2.2力学参数的选取

根据勘察报告，岩层的力学参数如下：

表1　岩层物理力学参数

综合考虑采空区冒落矸石的物理力学特性及其变化规律的已有研究成果，结合类似矿区的岩层情况与相似材料模拟试验结果，在计算中取采空区冒落矸石的物理力学参数见下表所示。为了真实地模拟实际回采过程中已冒落矸石的支撑作用，计算中动态改变局部材料特性，逐步提高采空区矸石的物理力学参数。

表2　采空区冒落矸石的物理力学参数

图2　各测点应力随工作面推进变化曲线

2.3计算结果分析

模拟煤层开采时，分别计算煤层工作面开采60m，120m，180m，240m，295m，稳定后的结果（每次开挖计算500步），分析水仓、泵房及二水平副暗斜井关键部位的应力变化。研究中选取如下关键截面位置的应力。图2为工作面推进过程中各测点应力变化曲线。

由图2可见，随着开采面的推进，研究巷道的最大垂直应力成增大趋势。外水仓C1截面的最大垂直应值最大，开采前后应力的增长幅度为6.89%。内水仓增长幅度最大点为拐角处，达到7.62%。内水仓增大幅度最大点为C2截面，达到6.43%。二水平泵房最上端截面最大垂直应力的增加幅度最大，达到了11.04%。二水平副暗斜井A4截面最大垂直应力的增加幅度达到了6.94%。综上所述，Ⅱ6112工作面开采对研究巷道的影响并不显著。

3.二维数值模拟计算分析

3.1二维数值模型的建立

为了确保工作面回采期间永久巷道的使用安全并验证上述计算结果，采用离散元数值计算软件UDEC3.1进行复分析。以图1（b）中C1—C2测点为剖面，建立二维数值计算模型，采用平面应变模型假设。模型应用BLOCK命令生成，应用CRACK命令划分各个岩层，应用JSET命令模拟岩体节理。整个模型宽400m，包括两侧各留设100m边界煤柱；高度为从巷道底板50m共计250m，不足部分采用载荷加载，通过计算模型顶部加载10MPa。各岩层力学参数的选取见表1。

3.2计算结果及分析

图3　回采后外水仓垂直变形云图

图4　回采后外水仓塑性区分布图

以内外水仓巷帮边缘10m、巷道顶底板10m范围建立监测线，用来监测巷道在Ⅱ6112工作面回采前后围岩应力及变形情况。

（1）内外水仓巷道围岩变形分析

图3为工作面回采前后巷道周边围岩位移云图。图中，白色部分为锚杆，蓝色部分为钢筋混凝土结构。从图（a）可见，工作面回采前，由于巷道周边基本无采动影响，且巷道位于砂岩层中，巷道围岩变形量较小，顶板产生了约150mm的下沉，底板产生了约200mm的底鼓。巷道变形基本处于可控范围之内。图（b）反映出Ⅱ6112工作面回采后，巷道围岩位移云图发生了改变，受到了工作面回采后大环境的影响，但位移值基本未发生变化。

（2）内外水仓巷道围岩塑性区分布

从图4工作面回采前后内外水仓周边围岩塑性区分布情况来看，工作面回采前，巷道周边基本未出现明显的塑性区；工作面回采后，巷道两帮出现了约0.8m深度的少量塑性区，但变化不明显。

（3）内外水仓巷道垂直应力分布

图5为工作面回采前后巷道周边垂直应力分布曲线。工作面回采前，受巷道开挖的影响，巷道周边产生了较为明显的垂直应力峰值，位于两帮，最大应力峰值约为22MPa，距巷帮10m深度基本恢复至原岩应力，应力集中系数为1.4左右。工作面回采后，应力值较回采前有所增高，分布规律与回采前基本相同。最大应力值位于巷道帮部，最大值为28.5MPa，应力集中系数为1.5左右。整体来看，受工作面回采影响，巷道周边垂直应力值比回采前升高10%～20%左右，但对巷道稳定性影响不大。

4.现场实施效果

为保证工作面回采过程中永久巷道的使用安全，在二水平副暗斜井中对应于数值计算中A4截面附近设置了3个测站，限于篇幅，仅列举变形较为明显的2#测站，巷道围岩变形曲线见图6所示。由图可见：在监测的160余天内，巷道两帮移近量仅约23mm，顶底板移近量约34mm，基本无明显变形，支护结构未发生明显破坏，围岩完整。这与数值计算结果非常吻合，有力地证明了数值计算结果的准确性。

图5　工作面回采前后巷道周边垂直应力

图6　巷道围岩变形观测曲线

5.结论

运用FLAC3D三维数值模拟软件和UDEC离散元数值计算软件，分析了Ⅱ6112工作面开采对附近内、外水仓、泵房、二水平副暗斜井等巷道影响程度，并进行了现场实测，结果表明：

（1）数值计算结果表明，Ⅱ6112改造工作面的回采对周边巷道，尤其是对内、外水仓、泵房、二水平副暗斜井等重要巷道影响不大，通过适当加固是能够保证改造工作面回采期间上述巷道的安全使用要求；

（2）从巷道周边垂直应力分布来看，巷道周边垂直应力有所升高。根据FLAC3D计算结果，巷道周边最大产生了11%的应力增长，出现与内外水仓拐点位置；根据UDEC计算结果，巷道周边产生了最大20%的应力增长。两者计算有所差别，但基本可以认为，Ⅱ6112改造工作面回采会对内外水仓、泵房及暗副斜井等周边巷道产生一定影响，但最大升高倍数也仅为1.2倍；

（3）通过现场实测，结果表明巷道围岩最大变形量仅为20mm～30mm左右，巷道内支护结构未发生破坏，围岩完整，与数值计算结果吻合，有力地证明了数值计算结果的准确性，指导了现场工程实践。

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房丰洋（1982-），男，内蒙古鄂尔多斯市鄂托克旗人，中级工程师，在读工程硕士，主要从事煤矿矿井设计方面的研究。