沈 祥

（霍州煤電集團河津騰暉煤業(yè)有限責任公司，山西 河津 043302）

煤礦的開采改變了原巖地應力場與位移場，使得圍巖應力重新分布，應力密集區(qū)的高應力會造成煤炭開采巷道的變形破壞，圍巖應力場與位移場的分布規(guī)律研究對煤礦的安全開采至關重要[1-2]。隨著計算機體系的發(fā)展與成熟，數值模擬軟件逐漸應用于礦山數值分析中，通過FLAC3D數值模擬，不僅可以定量分析覆巖應力場[3]，而且極大地提高了計算效率與精度，將模擬計算結果反饋于生產實踐，可為煤礦的安全開采提供重要的理論依據。

1 工程地質概況

霍煤騰暉煤礦2-105工作面位于井田南部，開采煤層屬山西組2#煤層，煤層結構簡單，賦存穩(wěn)定，平均厚度為5.0m。巷道圍巖與頂板以砂巖、砂質泥巖為主，基本頂為中粒砂巖，平均厚度 9.50m左右，鈣質膠結，富集云母碎片；直接頂為砂質泥巖，平均厚度11.8m左右，水平層理，植物化石碎片富存；直接底為粉砂巖，厚度13.3m，呈深灰色，粉質砂狀結構，致密，性脆，含碳化面，中部夾有灰?guī)r薄層，厚度約0.1m；基本底為細粒砂巖，平均厚度4.1m左右，交錯層理，鈣質膠結。主要含水層為K8砂巖含水層裂隙水及奧陶系灰?guī)r水，其富水性弱且易于疏干，2-105工作面運輸順槽掘進施工范圍內煤層賦存條件較好，無影響掘進施工的采空區(qū)與斷層構造，不受采空區(qū)積水威脅。

2 數值模型的建立

2.1 巖體力學參數的確定

根據2-105工作面地質柱狀圖與鉆孔勘探報告，對煤層附近各巖性取樣并進行實驗參數測定。實測各巖性巖體力學參數如表1所示。

表1 巖體力學參數表

2.2 模型的建立

沿底板垂直走向建立巷道莫爾一庫侖本構簡化模型，其中，x、y軸分別代表巷道走向方向與法線延伸方向，模型的邊界設定為底部與左右兩側約束，上部自由，初始應力場為自重應力場，整個模型由28021個節(jié)點數和 23166個單元數構成。巷道模型簡化如圖1所示。

圖1 巷道簡化模型圖

2.3 監(jiān)測點的選取

監(jiān)測點的選取直接影響到試驗的準確性，因此，對測點的擬定，不僅要滿足隨機性，還應考慮到在工程實踐中對該測點進行應力位移實時監(jiān)測的難度與可行性。鑒于以上各因素，擬在掘進工作面前方頂板上，沿工作面掘進方向布置3個測點作為試驗對象。各測點在沿工作面掘進的法線方向按隨機離散原則布置，相鄰測點的水平間距為30m。為便于試驗的研究，對測點進行編號，各測點的三維坐標分別為A（75，3.4，-322），B（105，2.1，-322），C（135，1.9，-322）（假定地面標高為0）。在自重應力的作用下，掘進引起的應力、位移變化量主要以沿x軸方向的水平位移與沿z軸方向的鉛直位移為主，故在現場監(jiān)測中，將各個測點的x方向上與z方向上的位移變化量作為主要監(jiān)測目標。

3 模擬計算效果分析

3.1 數值模擬計算內容

為得出霍煤騰暉煤礦2-105運輸順槽在不同開采進度條件下圍巖應力分布情況與位移的變化規(guī)律，主要從以下幾個方面進行數值模擬計算：

（1）模擬、監(jiān)測各待測點在隨掘進工作面推進過程中頂板位移下沉量，分別記錄當掘進進度為15m、30m、45m時頂板位移變形情況，并繪制位移變化折線圖，與實測位移進行耦合，驗證數值模擬的可行性。

（2）模擬計算巷道在不同掘進進度下頂板主應力的變化情況，生成在掘進距離分別為15m、30m、45m時巷道圍巖及頂板的縱向應力云圖，分析在不同掘進進度下巷道圍巖體的應力變化趨勢與規(guī)律。

3.2 模擬數據處理與效果分析

（1）位移模擬結果驗證

通過FLAC3D進行數值模擬，得出掘進工作面各測點在沿z軸方向的鉛直位移變化如圖2所示。

圖2 各測點位移變化折線圖

由各監(jiān)測點的縱向位移變化趨勢可知，頂板位移變化增量由高到低依次為測點A、測點B、測點C。根據各測點的分布情況，可以得出，隨掘進距離的增大，距離開切眼越遠的頂板，其變形量與下沉量越小，而開切眼附近的巖體位移變形量較大，若沒有及時的支護，極易引起劇烈下沉的現象，施工時，應做好頂板維護工作。

各測點位移實測數據與模擬數據對比見表2所示。

表2 各測點實測位移與模擬位移對比表

由各測點實測位移與模擬位移的對照可知，模擬數據與實測數據的平均誤差≤0.03cm，誤差較小，滿足試驗要求，故認為模擬結果符合實際情況，FLAC3D模擬軟件可用于掘進巷道中位移與應力變化規(guī)律的研究。

（2）應力模擬結果分析

應用FLAC3D軟件建立數值分析模型，分別計算掘進工作面推進15m、30m、45m時巷道圍巖及頂板的應力變化?？v向應力變化云圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 掘進距離為15m時頂板縱向應力云圖

圖4 掘進距離為30m時頂板縱向應力云圖

圖5 掘進距離為45m時頂板縱向應力云圖

由各縱向應力云圖可知，運輸順槽推進至15m、30m、45m時，工作面巷道出現的最大主應力分別為0.859MPa、0.635MPa和0.628MPa，巷道出現的最小主應力分別為10.44kPa、16.56kPa和18.00kPa。當工作面推進至30m范圍區(qū)域時，巷道圍巖開始出現明顯的壓應力，壓應力值為15.2MPa。隨掘進工作面的推進，巷道圍巖壓力值也隨之增大，在工作面45m處，巷道圍巖壓力值達22.6MPa。

由數據分析可知，在運輸順槽初始掘進時，巷道主應力最大，說明在巷道初始掘進時，掘進工作面受到上覆巖層的擠壓現象嚴重，已掘進區(qū)域承擔著絕大部分上覆煤巖體的重力。隨著掘進工作的持續(xù)進行，巷道最大主應力逐漸遞減，巷道變形程度得到緩和，說明隨巷道掘進區(qū)域的增大，承擔上覆巖層重力的區(qū)域增加，減緩了“單區(qū)域”承重現象[4]。此外，在掘進距離不斷增大的過程中，巷道壓應力逐漸增大，此時，應做好圍巖加固措施，防止煤巖壁片幫的出現。

4 結 語

（1）將霍煤騰暉煤礦2-105運輸順槽的位移實測數據與通過FLAC3D模擬計算的位移結果進行耦合，二者位移平均誤差≤0.03cm，驗證了FLAC3D數值模擬軟件對于研究掘進巷道中位移與應力變化規(guī)律的可行性。

（2）基于FLAC3D的數值模擬結果，可得出在巷道初始掘進時，巷道主應力最大，隨著掘進工作的持續(xù)進行，巷道最大主應力逐漸遞減，巷道變形程度得到緩和。隨工作面掘進距離的增加，巷道最大壓應力逐漸增大，當掘進工作面推進至45m處時，圍巖壓力值可達22.6MPa，嚴重危害到巷道穩(wěn)定性，極易引起頂板破碎和煤壁片幫的情況，此時應做好巷道圍巖加固工作。