某矿回采巷道不同跨度数值模拟分析

2022-04-05周桂杰

洛阳理工学院学报(自然科学版) 2022年1期

周桂杰

(河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000)

当前，我国浅部煤炭资源逐渐被消耗殆尽，煤矿开采不断向着围岩赋存环境复杂的地球深部延伸[1-5]，大跨度回采巷道空间大，方便运输通风，得到了广泛应用。大跨度巷道比一般巷道变形破坏大，容易造成安全事故，研究大跨度巷道的巷道围岩变形破坏规律对采煤有着重要意义。国内外学者对大跨度巷道展开了一系列研究，刘勇洪[6]针对大跨度矩形巷道大变形和破坏问题，结合现场调查和理论分析研究了巷道变形破坏机理。张理生[7]研究了福城煤矿1 302大跨度南切眼，提出了高强度长锚杆、加厚“W”钢带、钢筋网、高预应力长锚索梁及单体支柱的联合支护形式，能够有效控制巷道围岩的稳定性。张向东等[8]研究了在多次采动影响下大跨度煤巷支护比较困难的问题，通过对地质条件和岩体特性的研究，提出了锚网索带注耦合支护方案。本文通过对某矿工作面回采巷道不同跨度的数值模拟研究，得出随着巷道跨度增加巷道围岩变形破坏规律，为大跨度回采巷道的支护提供理论依据。

1 工程概况

工作面回采巷道处在五采区，地理位置对应地面标高为+34.70 m，标高范围为-423.1～672.8 m，走向长度范围为980.5～1 080.8 m，倾斜长度范围为97.4～324.7 m，总面积可达304 740 m2。该工作面北向是还未开采的实体煤及其自身保护煤柱；南向是-720轨道暗斜井、-720皮带暗斜井和-720回风暗斜井及其保护煤柱；东向是南轨大巷、南皮大巷和自身保护煤柱、2301老空区、F30断层和自身保护煤柱；西向是还没有进行开采的实体煤。刘庄、丘黄庄及王饭棚三村庄是工作面对应地表，地表上设施会受到工作面回采地表塌陷的影响。

由相邻的回采工作面煤层厚度变化情况和工作面巷道掘进时实际量测煤层厚度，煤层厚度变化不大，变化规律明显，结构简单。工作面里面部分煤层稍薄，总体影响小，最大煤层厚度为3.0 m，最小煤层厚度为1.5 m，平均为2.56 m，工作面整体上煤层为稳定煤层，工作面回采巷道平面图如图1所示。

2 物理力学试验

该矿同类区巷道岩石的岩性相差不大，根据同类区的岩石物理力学试验，参考引用岩石的密度、波速、含水率、抗拉强度以及抗压强度等，以便为后续数值模拟提供依据，数据如表1所示。

图1 回采巷道平面图

表1 岩石物理力学参数

3 数值模拟

根据煤矿工作面回采巷道的工程地质条件，采用有限差分数值模拟软件FLAC3D研究不同跨度巷道的位移、应力和塑性区。

3.1 数值模型的建立

工作面回风巷煤层直接顶为砂质泥岩，基本顶为细砂岩，直接底为砂纸泥岩，基本底为中粒砂岩，巷道埋深约600 m。建立长50 m、高60 m、纵深方向长10 m的三维模型，本构模型采用摩尔-库伦模型，巷道断面为矩形，位置在模型正中心，巷道及距离巷道较近的位置对网格加密处理，在远离巷道不影响计算精度的网格尺寸适当扩大，模型节点数为45 738，单元数为40 280。

(1)边界条件。模型顶部施加上覆岩层的自重应力，模型前后及左右为铰支，底边为固支。模型示意图如图2所示。

(2)煤岩体物理力学参数。根据表2岩石的物理力学数据，可以得出数值模拟所需的参数，具体参数如表2所示。

3.2 模拟方案

主要模拟巷道跨度不同，研究巷道断面的位移、应力和塑性区。研究如下3种工况：

工况一：回风巷的高度为2.8 m，巷道跨度为4.6 m；

工况二：回风巷的高度为2.8 m，巷道跨度为5.5 m；

工况三：回风巷的高度为2.8 m，巷道跨度为6.4 m。

图2 数值计算模型图

表2 数值模型参数表

3.3 模拟结果

研究开挖过程中巷道断面顶底板及两帮位移，监测点布置在巷道顶底板及两帮的中部，监测巷道顶底板及两帮中部位移，应力和塑性区通过塑性区云图呈现。

(1)不同工况下巷道顶底板及两帮中部位移如表3所示，随着巷道跨度从4.6 m增加到6.4 m，左帮移近量从203.6 mm增加至225.53 mm，右帮移近量从202.89 mm增加至226.28 mm，顶板移近量从127.4 mm增加至161.37 mm，底鼓量从91.82 mm增加至109.23 mm，顶板增加幅度大，因此对于大跨度巷道，要加强顶板的支护。

(2)模拟在工况一、工况二、工况三情况下应力及塑性区云图分别如图3～图5所示。随着跨度从4.6 m增加至6.4 m，最大垂直应力从24.39 MPa增加至25.91 MPa，且距离巷道边缘距离慢慢变大，塑性区的面积随着跨度增加越来越大，巷道围岩屈服破坏严重，可见对于大跨度巷道，要增强支护结构的强度应对变化。