毛 亮

(長治市煤炭安全信息調度中心，山西 長治 046000)

在煤礦生產中，巷道布置和維護一直都是相關學者關注和深入研究的課題，康紅普院士等[1-2]提出的整套巷道支護技術在常村煤礦得到驗證，并在全國范圍內推廣應用；何滿朝院士等[3-4]提出的負泊松比錨桿對巷道支護維護起到了劃時代的意義；趙志強等[5-6]提出的巷道破壞蝶形理論對巷道破壞圍巖失穩(wěn)的研究起到了豐富理論和實踐促進作用；王志強等[7]對相鄰工作面巷道位置的不同錯距進行了數(shù)值模擬研究，最終根據(jù)數(shù)值模擬結果確定了合理錯距為2 m，并在現(xiàn)場應用中得到了有效驗證；秦忠誠等[8]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對非規(guī)整地質采礦條件下的巷道布置位置進行了分析，最終根據(jù)采場應力變化規(guī)律確定了巷道布置的最佳位置；姚少武[9]分析了近距離煤層開采條件下，下煤層巷道的合理方位和巷道支護形式，確定了巷道的支護參數(shù)；尚奇[10]分析了采場應力和支護形式對巷道應力分布特征的影響，發(fā)現(xiàn)巷道采用分級支護對巷道的維護有較好效果；王玉懷等[11]采用理論分析和FLAC3D數(shù)值模擬的方法對煤礦近距離開采巷道圍巖變形規(guī)律和特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)進入重復采動影響區(qū)內大約10～15 m巷道的變形量增大，下煤層巷道應布置在煤柱邊緣水平距離16 m的采空區(qū)下；魏煒杰等[12]對急傾斜水平分段綜放開采的巷道布置采用數(shù)值模擬的方法進行了分析，發(fā)現(xiàn)采放比是影響巷道變形和失穩(wěn)的主因，在開采過程中應嚴格控制采放比；胡少軒等[13]對近距離煤層同采后的應力環(huán)境進行了理論分析和現(xiàn)場實測，通過數(shù)據(jù)對比分析得出應力環(huán)境的變化是一個活躍—趨穩(wěn)—活躍—趨穩(wěn)的充分變化過程，根據(jù)應力環(huán)境變化的周期性規(guī)律可采用分段分期加強支護和合理安排采掘活動。

本文擬采用數(shù)值模擬的方法，對上煤層開采后下煤層回采巷道合理布置位置進行分析，假定理想的煤層地質采礦條件，假設上下煤層都是水平煤層，煤層間距為8 m。

1 力學模型的確定

在進行數(shù)值模擬分析中力學模型和模擬軟件的選擇是整個模擬試驗成功與否的關鍵，在選擇力學模型時首先必須考慮模擬的目的、模擬工程材料和模擬的力學環(huán)境。本次模擬的是礦山離散體，應力環(huán)境屬于均勻連續(xù)應力場，對比眾多模擬軟件的特點和優(yōu)勢，最終確定選擇FLAC3D數(shù)值模擬軟件。FLAC3D模擬軟件是美國的ITASCA公司開發(fā)的，軟件具有多種數(shù)學和力學模型可供選擇，而且為研發(fā)人員提供了可嵌入的力學模型和數(shù)學算法接口，方便使用和豐富開發(fā)。其中包括的數(shù)學經典模型有：Mohr-coulomb、拉格朗日、西里斯迪、庫彼汐；包括的彈性力學模型有：各向同性、橫觀各向異性和正交各向異性等；非線性模型有：Drucker-Prager、Mohr-Coulomb、應變硬化及應變軟化、節(jié)理化、雙線性應變硬化/軟化節(jié)理化、雙屈服、修正的 Cam-clay模型。本計算模型按照平面應變問題處理，計算中材料本構關系采用考慮塑性流動特性的Mohr-coulomb模型，同時假定各巖層巖性均勻且各向同性。

2 數(shù)值模型的建立

未消除邊界效應的影響，在模型的下邊界和水平垂直邊界都留有20 m的緩沖區(qū)，建立模型尺寸為180 m×100 m，模型總單元數(shù)為192 341個，根據(jù)模擬不同位置的精度要求劃分成小模型尺寸，模型共劃分了11個小模型，保證模擬結果的精度。建立的數(shù)值模擬模型如圖1所示。模擬過程中，在模型上邊界施加由上覆巖層自重引起垂直應力為q=γH=7 MPa，水平的應力系數(shù)取值根據(jù)埋深進行梯度取值，總體取值水平應力是垂直應力的1.15倍。模型中共布置兩層煤，上煤層(1煤)與下煤層(2煤)，煤層間距設置為8 m。

圖1 數(shù)值模擬原始模型

3 模擬結果分析

3.1 垂直應力分析

對上煤層開采后，在距煤柱中心線分別為0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m和35 m處開挖下煤層回采巷道的應力進行數(shù)值模擬，垂直應力云圖如圖2所示。由圖2可得：

1) 上煤層開采后，采場的垂直應力集中區(qū)域存在于煤柱及煤柱下方，因此在煤柱下方開掘巷道時，巷道處于較高的垂直應力集中，應力集中系數(shù)達到4.9；在煤柱邊緣(即距離煤柱中心線10 m)開掘巷道時，巷道右?guī)鸵盐挥诓煽諈^(qū)下方的垂直應力降低區(qū)域，垂直應力顯著降低，左幫應力集中程度也有一定的降低；在距離煤柱中心線大于等于15 m開掘巷道時，巷道完全位于采空區(qū)下方，巷道兩幫垂直應力都處于應力降低區(qū)內，兩幫最大垂直應力為6 MPa左右，明顯低于原巖應力值。

2) 由于煤柱的支撐作用，煤柱兩側采空區(qū)頂板不能完全下沉冒落，采空區(qū)一側存在懸空區(qū)域，下煤層垂直應力很小，當繼續(xù)靠近采空區(qū)中心時，上煤層采場頂板下沉將壓力傳遞到底板，下煤層垂直應力開始上升，在距離煤柱中心線35 m左右的地方，巷道兩幫垂直應力開始上升。

圖2 巷道距離煤柱中心線不同位置時圍巖垂直應力云圖

3.2 水平應力分析

距煤柱中心線不同位置處開挖下煤層回采巷道的圍巖水平應力云圖如圖3所示。

由圖3可得：下煤層水平應力增高區(qū)域位于煤柱下方及頂板已經壓實的采空區(qū)下方，當在下煤層中布置巷道，距離煤柱中心線5 m以內時，巷道完全處于水平應力集中區(qū)域，當巷道距離煤柱中心線10 m和15 m時，巷道左幫處于應力集中區(qū)域，當巷道布置在距離煤柱中心線15 m以后時，巷道處于水平應力降低區(qū)域。

4 結 語

1) 層間距為8 m時，從垂直應力的角度考慮，下煤層回采巷道應盡量避免布置在垂直壓力集中較嚴重的煤柱下方，而應盡量布置在老頂懸空的靠近煤柱的采空區(qū)下方，即距離煤柱中心線15～30 m的位置。

2) 層間距為8 m時，從水平應力的角度考慮，要將巷道布置在距離煤柱中心線15 m以外。

綜合垂直應力和水平應力對下煤層巷道布置的影響，可以得到巷道布置位置在距離中心線15～30 m之間比較合理。

圖3 巷道距離煤柱中心線不同位置處圍巖水平應力云圖