孤岛工作面巷道采掘期间应力演化规律

冯慧

摘要：本文以山东某矿地质条件为背景，运用FLAC3D数值模拟软件，模拟了该矿1307孤岛工作面顺槽掘进及工作面回采期间顺槽两帮应力演化规律。分析表明轨顺及运顺采空帮在巷道掘进期间处于高应力集中状态，应力集中系数在2.08左右浮动；孤岛工作面回采期间，轨顺及运顺周围均处于高应力集中状态，轨顺回采帮及运顺回采帮应力峰值呈“马鞍状”变化趋势，最大应力集中系数为2.53。通过模拟分析可为巷道支护位置及支护方式提供重要的参考依据。

Abstract： In this paper， according to the geological conditions of a mine in Shandong， it used FLAC3D numerical simulation software to simulate the 1307 island working face and the stress evolution law of the two sides of the working face during mining. The analysis shows that the track transports and the strong-belt conveyer are in a state of high stress concentration and the stress concentration factor is around 2.08； in the isolated working face， around t the track transports and the strong-belt conveyer are at the high stress concentration， and the peak value of stress of the mining sides is saddle shaped， and the maximum stress concentration factor is 2.53. Through the simulation analysis， it can provide important reference for the location and support of roadway support.

關键词：孤岛工作面；数值模拟；巷道；应力分布

Key words： island coal face；numerical simulation；roadway；stress distribution

中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）19-0169-02

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由于孤岛工作面两侧均为采空区，工作面推进过程中，受工作面超前支承应力与采空区侧向支承应力叠加作用的影响，形成应力集中区，覆岩破断时产生高能量矿震，增加了煤岩体的支承压力，对巷道破坏较大，巷道支护强度要求较大[1-2]。孤岛工作面沿空掘巷应力集中系数比一般沿空掘巷应力集中系数大。孤岛工作面超前支承压力大、沿空掘巷围岩变形量大，掘进期间和回采期间围岩变形差异较大[3]。回采巷道变形是孤岛工作面正常回采的主要问题之一，充分认识巷道两帮变形机理对巷道的支护具有重要参考价值[4]。本文以山东某矿1307工作面为背景，运用FLAC3D软件，模拟了孤岛工作面顺槽掘进及工作面回采期间顺槽两帮的应力演化规律，为孤岛工作面巷道支护及巷道支护方式提供了参考依据。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

该煤矿1307工作面北邻1308采空区，留设4m煤柱，南邻1306工作面采空区，西侧为一采区东翼集中大巷，东侧为实体煤。工作面标高：-432.6～-492.8m，平均-462.7m，埋藏深度：481.0～541.2m。

1.2 模型建立

以山东某矿1307孤岛工作面为背景，建立FLAC3D 数值模型，如图1所示，模型长424m（长）×352m（宽）×206m（高），模型划分280642个单元体，模拟20层煤岩层结构，采用摩尔-库伦模型，模型顶部施加7.5MPa，水平应力施加均布载荷，为垂直方向应力的0.5倍。

1.3 检测点布置

在轨道顺槽及运输顺槽两帮布置检测点，分析轨道顺槽及运输顺槽掘进及工作面回采时的顺槽两帮的应力演化规律。

2 巷道掘进期间应力分布规律

孤岛工作面沿空掘巷最大应力峰值明显大于常规工作面沿空掘巷，给孤岛面窄煤柱沿空掘巷围岩变形控制造成极大的困难[5]。

如图2～图4所示，受采空区的影响，轨道顺槽及运输顺槽在掘进期间巷道周围出现明显的应力集中现象。轨道顺槽及运输顺槽掘进50m时，轨顺采空帮、轨顺回采帮、运顺回采帮、运顺掘进帮应力峰值分别为16.65MPa、16.65 MPa、16.48MPa、16.67MPa。随着轨道顺槽及运输顺槽向采空区掘进，顺槽两帮的应力峰值逐渐增大。

巷道掘进100m、150m、200m、250m时，轨顺采空帮应力峰值分别为24.40MPa、25.28MPa、25.47MPa、25.16MPa。运顺采空帮应力峰值分别为24.07MPa、24.84MPa、24.89MPa、24.50MPa。轨顺回采帮应力峰值分别为：20.26MPa、20.73MPa、20.83MPa、21.33MPa，运顺回采帮应力峰值分别为：20.49MPa、21.25MPa、21.24MPa、20.94MPa。说明巷道掘进100m后，受1306采空区及1308采空区影响，轨顺及运顺两帮应力峰值均呈现先增大稳定的现象。轨顺采空帮及运顺采空帮应力峰值在25MPa左右浮动，应力集中系数为2.08左右。轨顺回采帮及运顺回采帮应力峰值在21MPa左右浮动，应力集中系数为1.75左右。

3 巷道回采期间应力分布规律

为研究孤岛工作面回采过程中对巷道的影响，分析孤岛工作面超前应力峰值区处巷道周围应力分布，可为巷道的支护提供一定的参考依据。

如图5～图7所示，受采空区侧向支承应力与孤岛工作面超前支承应力叠加影响，工作面超前支承应力区处的轨道顺槽及运输顺槽均处于高应力集中状态。工作面推进70m、120m、170m、200m时，轨顺采空帮应力峰值分别为28.64MPa、30.38MPa、30.09MPa、28.81MPa。运顺采空帮应力峰值分别为29.02MPa、29.54MPa、29.49MPa、27.87MPa。軌顺回采帮应力峰值分别为：28.90MPa、33.34MPa、32.18 MPa、30.92MPa，运顺回采帮应力峰值分别为：30.36MPa、30.47MPa、33.19MPa、30.2MPa。说明孤岛工作面回采过程中，轨顺及运顺两帮均处于高应力集中状态，轨顺回采帮及运顺回采帮应力峰值呈“马鞍状”变化。最大应力峰值为30.38MPa，应力集中系数为2.53。

4 结论

①孤岛工作面轨顺及运顺掘进时，受采空区的影响，轨顺及运顺两帮应力峰值均呈现先增大稳定的现象。轨顺及运顺采空帮应力集中系数在2.08左右浮动，回采帮应力集中系数在1.75左右浮动。②孤岛工作面回采过程中，轨顺及运顺两帮均处于高应力集中状态。轨顺及运顺回采帮应力峰值呈“马鞍状”变化，最大应力集中系数为2.53。

参考文献：

[1]曹建军，易恩兵.孤岛工作面围岩运移及冲击破坏数值模拟研究[J].矿业安全与环保，2015，42（2）：20-23.

[2]孤岛工作面采动回采巷道平移变形力学机制及控制技术研究[J].煤矿与安全工程学报，2015，32（4）：553-558.

[3]华心祝，刘淑，刘增辉，等.孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2011，30（8）：1646-1650.

[4]陈晓祥，王雷超，付东辉。孤岛工作面动压回采巷道平移变形力学机制及控制技术研究[J].采场与安全工程学报，2015，32（4）：553-558.

[5]张炜，张东升，陈建本，等.孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩变形控制[J].中国矿业大学学报，2014，43（1）：36-42.