長(zhǎng)壁開(kāi)采三順槽礦壓特征數(shù)值模擬研究

喬立瑾

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001）

長(zhǎng)壁開(kāi)采三順槽礦壓特征數(shù)值模擬研究

喬立瑾

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001）

采用數(shù)值模擬方法，研究長(zhǎng)壁開(kāi)采條件下三順槽在不同開(kāi)采階段圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布和幫部支承壓力分布特征。研究結(jié)果表明：三順槽掘成后，所有順槽幫部越靠近中間順槽，破壞區(qū)域越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越高；上區(qū)段工作面回采后，所有順槽幫部越靠近上區(qū)段工作面，破壞區(qū)域越大，應(yīng)力集中程度越高；下區(qū)段工作面回采后，越靠近中間順槽，破壞區(qū)域越小，相應(yīng)的應(yīng)力集中程度也越小。

長(zhǎng)壁開(kāi)采；三順槽；礦壓特征；支承壓力；數(shù)值計(jì)算

1 引言

在我國(guó)煤礦綜采面中，兩工作面間布置兩條順槽的情況比較多，然而，隨著對(duì)煤礦安全要求指標(biāo)的提高以及通風(fēng)的需要，工作面間布置三條順槽的情況越來(lái)越多，在山西范圍內(nèi)很多礦井（例如趙莊、寺河及大寧煤礦）都采用了三順槽的布置。為此研究工作面三順槽的礦壓規(guī)律就顯得非常有意義。

在巖體地下工程中，地下空間的開(kāi)挖使得開(kāi)挖空間的周圍的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，應(yīng)力的大小和方向都發(fā)生了改變，這種應(yīng)力重新分布和演化的過(guò)程我們叫做二次應(yīng)力場(chǎng)的形成[1-7]。

工作面間留設(shè)的三順槽在其服務(wù)期間，要經(jīng)歷巷道掘進(jìn)、上區(qū)段工作面采動(dòng)和下區(qū)段工作面采動(dòng)等階段，其力學(xué)環(huán)境特征及結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生很大變化?？傮w來(lái)說(shuō)，三順槽在工作面采動(dòng)期間，其礦壓規(guī)律及穩(wěn)定性主要取決于巷道周邊圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)以及上覆巖層的結(jié)構(gòu)。

為了確定工作面三順槽的礦壓特征，以國(guó)內(nèi)某大型礦井為工程背景，研究三順槽在巷道掘進(jìn)、工作面采動(dòng)情況下巷道礦壓特征的演變規(guī)律，給礦井巷道支護(hù)提供可靠的依據(jù)。

2 工程背景及數(shù)值計(jì)算模型的建立

以國(guó)內(nèi)某大型礦104和105工作面及其之間的順槽201、202、203為工程背景，采用國(guó)際最流行的大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件[8,9]，建立三順槽及其附近工作面的整體力學(xué)模型。模型總體長(zhǎng)度135m，順槽巷道的寬都為5.5m，高3.5m，保護(hù)煤柱寬30m。據(jù)此建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，模型共劃分1512個(gè)六面體單元，共有3212節(jié)點(diǎn)。模型除上邊界外的五個(gè)邊界面的法向位移固定，上邊界施加6.63m P a的均布?jí)毫Α?/p>

圖1 整體計(jì)算模型

利用與現(xiàn)場(chǎng)相符合的施工生產(chǎn)順序，實(shí)施三順槽的掘進(jìn)、上下區(qū)段工作面的采掘，分析整個(gè)過(guò)程中順槽礦壓特征的演變規(guī)律。數(shù)值計(jì)算采用的巖層分布和巖石力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

3 三順槽礦壓特征分析

初始平衡后的鉛垂應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖2，在此假定初始應(yīng)力場(chǎng)全部由自重應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生，從圖中可以得知，鉛垂應(yīng)力從上往下逐漸增大，在同一個(gè)水平高度上鉛垂應(yīng)力在數(shù)值上相等，這種應(yīng)力分布和靜水壓力分布類似。

表1 數(shù)值計(jì)算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 初始應(yīng)力場(chǎng)

3.1 巷道掘成后的礦壓特征

在得到初始應(yīng)力場(chǎng)后，利用計(jì)算程序的開(kāi)挖模塊來(lái)模擬巷道掘進(jìn)，即開(kāi)挖順槽201、202和203網(wǎng)格，首次計(jì)算（即施加錨桿錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)前）釋放30%應(yīng)力，并計(jì)算至平衡，隨后施加錨桿、錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿的初始預(yù)緊力都為5t，錨索的初始預(yù)緊力都為8t。

圖3 三順槽掘成后鉛錘應(yīng)力分布云圖

在巷道掘進(jìn)完成后，三順槽的鉛垂應(yīng)力分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出，在順槽表面附近出現(xiàn)了卸壓區(qū)域，中間巷道卸壓區(qū)范圍稍大，煤體中的應(yīng)力集中程度也高，錨桿都受到軸向拉力。

在三個(gè)順槽都掘成后，中間順槽202號(hào)幫部煤體上的鉛垂應(yīng)力沿隨幫部深部路徑的分布曲線如圖4所示。從圖中可以看出，順槽202號(hào)幫部煤體的破壞范圍和應(yīng)力集中程度都較201號(hào)和203號(hào)順槽要大，每條順槽幫部表面的鉛垂應(yīng)力都非常小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力，鉛垂應(yīng)力沿幫部煤體分布都是從表面往深部，鉛垂應(yīng)力先增大，后減小到原巖應(yīng)力數(shù)值，這與理論研究結(jié)果是一致的。

圖4 三順槽巷道掘成后202號(hào)順槽幫部水平方向鉛垂應(yīng)力曲線

3.2 上區(qū)段工作面回采后的礦壓特征

圖5 上區(qū)段工作面回采后鉛垂應(yīng)力云圖

圖6 上區(qū)段工作面回采后202號(hào)順槽幫部水平方向鉛垂應(yīng)力分布曲線

三順槽開(kāi)采上區(qū)段工作面回采完成后順槽附近圍巖的鉛垂應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖5。從圖5中可以得出，在上區(qū)段工作面回采后，靠近上區(qū)段工作面的順槽203號(hào)隨之消失，在瀕臨采空區(qū)附近的區(qū)域出現(xiàn)大的垮落區(qū)域和破壞區(qū)域，并且靠近采空區(qū)域的煤柱上有較大的應(yīng)力集中。圖6為三順槽上區(qū)段工作面回采完成后順槽幫部煤體上的鉛垂應(yīng)力從巷道表面往深部沿路經(jīng)的分布曲線。從圖中可以看出，順槽202號(hào)圍巖的破壞深度要比201號(hào)大的多，應(yīng)力集中程度也大。煤柱幫部表面的鉛垂應(yīng)力都非常小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力，鉛垂應(yīng)力沿幫部煤體分布都是從表面往深部，鉛垂應(yīng)力先增大，后減小到原巖應(yīng)力數(shù)值。

3.3 下區(qū)段工作面回采的礦壓特征

圖7 下區(qū)段回采后圍巖鉛垂應(yīng)力分布云圖

圖7為三順槽下區(qū)段工作面回采完成后順槽附近圍巖的鉛垂應(yīng)力分布云圖，圖8為下區(qū)段工作面回采完成后202號(hào)順槽煤柱沿幫部表面往深部鉛垂應(yīng)力分布曲線。從圖中可以看出，在下區(qū)段工作面回采后，順槽201號(hào)隨之消失，上下區(qū)段工作面采空區(qū)處都存在大的垮落帶及圍巖破壞區(qū)域，瀕臨兩大采空區(qū)域的煤柱上都形成了大范圍和大深度的破壞，并伴隨有極高的應(yīng)力集中。

圖8 下區(qū)段工作面回采后202號(hào)順槽幫部水平方向鉛垂應(yīng)力分布曲線

4 三順槽礦壓特征演變規(guī)律

圖9 三個(gè)階段中202號(hào)順槽幫部水平方向鉛垂應(yīng)力分布曲線

圖9為三順槽巷道在巷道掘成、上區(qū)段工作面回采、下區(qū)段工作面回采三個(gè)階段順202號(hào)槽幫部煤體上的鉛垂應(yīng)力從巷道表面往深部沿路經(jīng)的分布曲線。從圖中曲線的分布情況以及變化趨勢(shì)可以看出，在三順槽掘成后，在三個(gè)順槽周圍都形成了破壞區(qū)，但中間順槽（即202號(hào)順槽）的破壞區(qū)域較大些，相應(yīng)的煤柱上應(yīng)力集中系數(shù)也高；在上區(qū)段工作面回采完成后，順槽203號(hào)已經(jīng)消失，順槽202號(hào)和201號(hào)破壞區(qū)域都加大，應(yīng)力集中程度也相應(yīng)增大，但202號(hào)順槽的增大程度更高，尤其是在202號(hào)順槽靠近采空區(qū)域的一側(cè)；在下區(qū)段工作面回采完成后，順槽201號(hào)已經(jīng)消失，順槽202號(hào)加大，應(yīng)力集中程度也相應(yīng)增大，但202號(hào)順槽靠近下區(qū)段采空區(qū)域的一側(cè)的增大程度高于靠近上區(qū)段采空區(qū)域一側(cè)。

5 結(jié)論

利用大型數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)三順槽三個(gè)階段的圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1）三順槽掘成后，中間順槽兩幫圍巖破壞深度大，且應(yīng)力集中系數(shù)較高；兩邊巷道靠近中間巷的幫部圍巖破壞深度比靠近外邊的幫部圍巖破壞深度要大，相應(yīng)的應(yīng)力集中程度也較高，但都小于中間順槽的兩幫。

2）上區(qū)段工作面采過(guò)后，在所有順槽和煤柱幫部中，靠近上區(qū)段采空區(qū)的破壞區(qū)域大，相應(yīng)的應(yīng)力集中程度也高。

3）下區(qū)段工作面才過(guò)后，在所有順槽和煤柱幫部中，靠近上區(qū)段采空區(qū)和下區(qū)段采空區(qū)的破壞區(qū)域大，相應(yīng)的應(yīng)力集中程度也高，中間順槽兩幫的破壞區(qū)域相對(duì)較小，應(yīng)力集中程度也較小。

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Numerical Simulation of Three-crossheading Strata Behavior in Long-wallmining

QIAO Li-jin
(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry,Taiyuan Shanxi030001)

By numerical simulation,three-crossheading's stress distribution and side abutment pressuredistribution of surrounding rocks are studied at the differentmining phases in long-wallmining.The resultsshow that,after the completion of crossheading digging,the closer all side crossheadings are to centralcrossheading,the bigger destruction area is and the higher stress concentration factor is.After the caving ofupper part,the closer all side crossheadings are to upper part,the bigger destruction area,the higher stressconcentration degree;after the caving of lower part,the closer to central crossheading,the smaller destructionarea,correspondingly,the lower stress concentration degree.

long-wall mining;three-crossheading;strata behavior;supporting pressure;numericalcalculation

TD353.6

A

2011-09-14

喬立瑾(1981—)，男，山西祁縣人，大學(xué)本科，工程師，從煤炭開(kāi)采設(shè)計(jì)等方面的研究工作。

徐樹(shù)文