煤矿开采中地应力变形影响仿真模拟研究

江莉莉

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 霍州 033000）

0 引言

地壳结构复杂多样，岩体作为地壳的主要组成部分承受着各种压力。地应力作为尚未人为接触的应力，其形成原因有两种：一种是由于岩体本身的自重或者是地壳结构运动产生的构造应力；另一种是由于岩体长期存在于地面以下，各种物质之间会产生物理或者是化学反应变化等，多种因素共同导致了绝对应力的产生，绝对应力也就是我们日常所说的天然应力[1]。天然应力主要存在于隧道的开凿、金属矿山的掘进等过程中。煤炭的开采主要来源于地下开采，地下开采离不开巷道的掘进。在煤炭开采过程中，需要进行巷道的掘进，且该过程中避免不了对煤矿井下的岩石造成破坏，尤其是现阶段，随着煤炭开采强度和深度的不断加大，对于地应力的测量更加重要。在开采过程中对地应力进行测量，有利于为煤矿企业的决策者针对煤炭开采的走、施工步骤等提供有效的参考，防止在开采过程中发生煤矿安全事故[2-3]。

1 矿区地应力变形影响仿真模拟条件

在实际地应力的测量过程中存在着许多影响因素，因此需要采用实测的方式对其进行测量，进而分析总结出实际地应力的分布规律。由于煤矿长期开展井下岩石开采工作，因此需要对煤矿井下的地应力进行详细、准确地测量。本文基于某煤矿的地应力分布情况，对地应力测量技术的实际应用进行阐述，同时通过测量得到地应力的分布情况，有助于煤矿企业决定掘进方向以及开采方向[4]。

应用煤矿的地质情况：西部13 号煤层深为1 500 m，东部为13 号煤层露头，东西方向的距离为63.1 km，南北方向的距离为45～75 km，该煤矿整体面积达到了2 000 km2以上。该煤矿所处的位置整体呈西北高、东南低走式，同时北部方向的地形以丘陵为主，南部则以盆地和平原为主，地形、地势变化均比较明显。该煤矿井下巷道尺寸为宽5 m、高4 m。本文采用FLAC3D软件对煤矿地应力进行模拟研究，采用该软件进行模拟研究时，首先需要进行网格的建立，对网格施加初始和边界条件，再进行分析[5]。煤矿井下开采过程中，由于对周围环境中的岩石影响比较大，本次建模采用的尺寸为长62 m、宽20 m、高50 m，巷道断面的尺寸为宽5 m、高4 m。

目前，矿区地应力测量采用的方法主要有水压致裂法和钻孔应力解除法，水压致裂法和钻孔应力解除法在实际应用过程中的应用场景各有不同。为了保证仿真结果的准确性，综合考虑水压致裂法和钻孔应力解除法的优缺点，选择平面二维钻孔应力接触法的地应力测量方法为仿真模拟基础。

2 地应力对巷道周围的影响数值模拟研究

本次仿真模拟采用的软件为FLAC3D软件，采用该软件进行仿真模拟时，其过程分三步进行。首先是建立网格，而后进行材料特性的设置及模型的构建，网格划分好后，设置模型的边界条件及初始条件。

网格划分后得到40 300 个网格，46 343 个节点，其模型图如图1 所示。

图1 巷道模型图

2.1 垂直应力对煤矿周围岩体的影响仿真模拟

为了研究垂直应力对周围环境的影响，本此仿真模拟设置5 种方案，水平应力均设置为10 MPa，垂直应力不断增加，其方案数值设置如表1 所示，仿真模拟结果如图2 所示。

表1 垂直应力影响数值设置

图2 垂直应力对煤矿巷道的影响

通过模拟结果能够发现，当垂直应力不断增加时，煤矿巷道的位移变化随之增大。根据图2 的结果能够发现，当垂直应力达到6.5 MPa 时，其两帮位移变化达到了8.85 mm，与顶板相比较，其位移变化比较大。垂直应力达到10.5 MPa 时，两帮的位移又明显小于顶板的位移。研究发现，垂直方向的地应力在对煤矿巷道的影响作用主要集中在对顶部的影响。经再次观察分析不同垂直应力大小时，顶板垂直位移和两帮水平位移的整体数值变化情况发现，随着垂直应力大小的不断增大，顶板垂直位移的增量明显大于两帮水平位移的增量。

2.2 水平应力对煤矿周围岩体的影响仿真模拟

对于水平方向的地应力的研究仍旧采设置5 种方案进行仿真模拟。5 种方案为保持垂直应力不变的情况下，通过不断增加水平应力而显现出水平地应力对煤矿井下周围岩体的影响。通过观察水平应力不断增加的过程中，煤矿井下顶板和两帮的位移量变化情况，从而得到水平应力对煤矿井下周围岩体的影响情况。在研究水平应力对煤矿周围岩体的影响情况时，垂直应力数值设置为9.5 MPa，水平应力数值设置如表2 所示，仿真模拟结果如图3 所示。

表2 水平应力影响数值设置

图3 水平应力对煤矿巷道的影响

从仿真模拟相对应方案获取的数据能够发现，当垂直应力都处于9.5 MPa 时，随着水平应力的不断增加，顶板垂直位移和两帮水平位移也随之增加。当水平应力为0.5 MPa 时，顶板的垂直位移为9.5 mm，而两帮的水平位移为8.2 mm。随着水平应力逐渐从0.5 MPa 增加到2.5 MPa 时，顶板的垂直位移量逐渐小于两帮水平位移。综上分析，随着水平应力不断增加，两帮水平位移量的增量速度要大于顶板垂直位移量的增量速度。

3 结语

地应力处于地壳中，并处于不断的变化之中。地应力的测量关系到煤矿井下掘进和开采过程中的人员安全问题，随着煤炭开采深度的不断加大，需要加大对地应力的测量频次，保证工作人员能够及时明确和熟知煤矿井下开采过程中周围的地应力环境，从而减小地应力对开采工作面造成的影响。通过分析五种不同垂直应力和水平应力条件下，煤矿巷道两帮与顶板的变化位移情况得出：垂直应力变化时，顶板位移变化情况大于两帮水平位移；水平应力变化时，两帮水平位移增量明显大于顶板位移增量。位移的变化规律有助于为煤矿地应力测量人员提供一定的周围岩体的变化情况作为施工参考，从而以此指导煤炭企业的工作人员高效开展掘进及开采工作。