基于FLAC3D的強動壓影響巷道應力場數(shù)值模擬與分析

摘 要：通過對中煤平朔井工一礦受強動壓影響巷道19109輔運順槽進行圍巖應力測試，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：19109輔運巷掘進時巷道圍巖應力受19108工作面回采動壓影響明顯，19108工作面回采時，垂直應力增高區(qū)主要集中在工作面后方兩側(cè)及工作面正前方一定范圍，并隨工作面回采，煤柱應力持續(xù)增加。

關(guān)鍵詞：強動壓;應力場;數(shù)值模擬;回采動壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.079

平朔井工一礦19109輔運順槽鄰近19108工作面，煤柱寬度20m，19108工作面正在回采，為確保采掘接續(xù)，19109輔運順槽掘進與19108工作面回采形成“對掘”，因此19109輔運順槽受到強烈的動壓影響，主要表現(xiàn)為巷道底鼓和煤幫煤體片落，同時在距離巷道開口1051～1642.5m范圍為普23孔背斜-向斜構(gòu)造影響區(qū)域，巷道掘進時同樣將面臨巷道支護問題。因此研究工作面回采期間臨近巷道圍巖應力場變化具有重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)值計算建模

此次建模依據(jù)礦井實際地質(zhì)狀況，利用三維直角坐標系，XY平面定義為水平面（X軸正向水平向右，Y軸正向垂直向內(nèi)），Z軸為垂直方向（規(guī)定向上為正）。模型以數(shù)值計算為主，劃分共計173850個單元，184512個節(jié)點。定義三維模型的邊界條件為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。按地質(zhì)力學實測數(shù)值施加初始應力。數(shù)值計算中，模擬了19109輔運巷、19108主運巷掘進及19108工作面回采對各條巷道圍巖應力和變形的影響情況。

2 模擬計算及分析

2.1 巷道掘進期間模擬計算結(jié)果及分析

通過FLAC3D建模，計算19109輔運巷與19108主運巷掘進期間，煤柱內(nèi)部及巷道圍巖應力分布情況如下圖。

由上圖可知，19109輔運巷和19108主運巷掘進后，巷道圍巖垂直應力存在疊加，煤柱間垂直應力最大可達13.05MPa，巷道頂板最大下沉量據(jù)現(xiàn)場觀測為11.1mm，最大底鼓量25.3mm;水平應力集中區(qū)域分布于巷道的頂板和底板，最大水平應力值為27.43MPa，兩幫最大變形量據(jù)現(xiàn)場觀測為35.5mm。

2.2 工作面回采期間模擬計算結(jié)果及分析

模擬假設(shè)：19109輔運巷已完成掘進，19108工作面正在回采。

由模擬計算結(jié)果可知，19108工作面回采期間，煤柱、工作面超前支護及巷道圍巖承壓分布及變化情況如下圖。

由圖可知，隨著19108工作面回采，煤柱、工作面超前支護及巷道圍巖應力變化明顯，應力集中明顯，受回采影響，工作面前方20m范圍受應力變化明顯。

分析可知，位于工作面后方10m、5m處，最大垂直應力分布在煤柱內(nèi)部靠近工作面一側(cè)（分別為51.85MPa、44.55MPa）。在工作面前方，應力集中區(qū)域明顯改變?yōu)楣ぷ髅媲胺矫簬r體中，前方5m、10m處，最大垂直應力分別達45.24MPa和26.06MPa。

而水平應力集中分布于煤柱靠近工作面一側(cè)的上方頂板處，最大達53.14MPa。工作面回采后，主應力主要集中于煤柱內(nèi)部，受采動影響和應力集中系數(shù)的增加，19109輔運巷圍巖變形量增大，現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，巷道頂板最大下沉量12.62mm，最大底鼓量108.51mm，靠近采空區(qū)一側(cè)巷幫變形為91.31mm，遠離采空區(qū)一側(cè)巷幫變形為37.90mm。

3 結(jié)語

19109輔運巷掘進時，垂直應力出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，而隨著19108工作面回采，19109輔運巷受回采動壓影響明顯，垂直應力增高區(qū)主要集中在工作面后方兩側(cè)及工作面正前方一定范圍，而水平應力集中分布于煤柱靠近工作面一側(cè)的上方頂板處，并隨工作面回采，煤柱應力持續(xù)增加。這就為我們現(xiàn)場支護提供了科學依據(jù)和參考，對支護參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計具有指導意義。

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作者簡介：徐曉煜（1986-），男，山西朔州人，本科，工程師，研究方向：采礦工程管理，從事礦井開采與通風管理工作。