摘"要：沿空留巷是實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開(kāi)采的重要途徑之一，為了得出沿空巷道應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，本文基本FLAC3D數(shù)值模擬軟件及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)沿空巷道應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果表明，巷道受到一次采動(dòng)期間，柔模墻內(nèi)部及巷幫兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，超前工作面10m正幫應(yīng)力集中數(shù)值為121MPa，頂?shù)装宄霈F(xiàn)“拱形”卸壓區(qū)，應(yīng)力形式為拉應(yīng)力，巷道在二次采動(dòng)影響期間，巷道塑性區(qū)破壞深度大幅增加，兩幫塑性區(qū)破壞深度為2.5m，應(yīng)力集中程度也急劇增長(zhǎng)，超前工作面10m處正幫側(cè)集中應(yīng)力達(dá)到139MPa。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；FLAC3D；應(yīng)力場(chǎng)分布

沿空留巷作為無(wú)煤柱開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一［13］，是實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開(kāi)采的重要途徑。但是沿空留巷需要將相鄰工作面的回采巷道保留下來(lái)作為當(dāng)前工作面回采巷道使用，巷道受到采動(dòng)及動(dòng)靜載荷持續(xù)擾動(dòng)影響［4］，礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形破壞較其他巷道留設(shè)方式大［5］，因此，掌握沿空留巷巷道應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律對(duì)維護(hù)巷道穩(wěn)定性及巷道有效支護(hù)尤為重要。

1"工程概況

檸條塔礦井位于陜西省神木縣，現(xiàn)主采2-2煤，埋藏深度130～220m，煤層平均厚度2.1m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、賦存穩(wěn)定。本文以陜煤集團(tuán)檸條塔煤礦N1215綜采工作面沿空留巷為背景，在N1215綜采工作面回采期間，采用柔?；炷裂乜樟粝锏姆绞?，將N1215運(yùn)輸巷道保留下來(lái)作為N1217綜采工作面回風(fēng)巷道。通過(guò)使用數(shù)值模擬軟件，研究巷道在留巷期間不同位置應(yīng)力演化規(guī)律，對(duì)比巷道在不同采動(dòng)期間應(yīng)力場(chǎng)分布情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析巷道超前位置及滯后位置的礦壓數(shù)據(jù)變化、頂板離層及裂隙情況。

2"一次采動(dòng)影響下巷道應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

以檸條塔煤礦N1215工作面綜采沿空留巷工程地質(zhì)條件為背景，采用FLAC3D軟件模擬沿空留巷期間巷道應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，經(jīng)過(guò)分析研究，對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，最終建立模型尺度為600m×500m×60m；為消除邊界效應(yīng)，留設(shè)50m寬度保護(hù)煤柱；巷道沿煤層底部留設(shè)，高度為3.5m，寬度為3.8m；隨著工作面的推進(jìn)，在采空區(qū)側(cè)方進(jìn)行柔?；炷翂?gòu)筑，通過(guò)柔?；炷翂χёo(hù)將N1215運(yùn)輸巷道保留下來(lái)作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷道；將模型四周邊界及下邊界設(shè)置為固定位移邊界。

由于初始應(yīng)力場(chǎng)是分析開(kāi)采空間圍巖應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)，為較真實(shí)地進(jìn)行工程模擬仿真，必須保證模擬開(kāi)采前已存在的初始地應(yīng)力場(chǎng)的可靠性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，模擬煤層的垂直初始應(yīng)力，按其上覆巖層重量計(jì)算，上覆巖層的平均體積力為25kN/m3，在模型上部施加5.15MPa的垂直載荷，模擬上覆松散層自重，設(shè)定模型重力加速度為10m/s2，初始側(cè)壓系數(shù)為1.2。

數(shù)值模擬模型計(jì)算時(shí)采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，由摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型確定所需要的巖石力學(xué)參數(shù)，根據(jù)工程調(diào)研數(shù)據(jù)以及相鄰礦井地質(zhì)資料，確定巖層及覆巖的物理力學(xué)參數(shù)。由于柔膜墻內(nèi)采用C30混凝土配合對(duì)拉錨桿作為沿空留巷支護(hù)材料，因此，柔?；炷翂θ匀徊捎媚枎?kù)倫本構(gòu)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)柔?；炷翂x參，參數(shù)設(shè)置如下表所示。

模型建立后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果有以下方面。

2.1"一次采動(dòng)影響下滯后工作面10m應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

如圖1（a）所示，滯后工作面10m處巷道頂板塑性區(qū)最大深度為0.63m，底板靠近柔模墻側(cè)塑性區(qū)破壞深度為2.31m，破壞類(lèi)型大部分為剪切破壞，存在部分拉伸破壞，幫部破壞深度較頂?shù)装逍?，塑性區(qū)深度為0.44m，柔模墻未出現(xiàn)塑性變形；如圖1（b）所示，柔模墻內(nèi)部出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中，數(shù)值為97MPa，除了巷道左側(cè)區(qū)域垂直應(yīng)力形式為壓應(yīng)力，其余各處均為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值為0.82MPa；如圖1（c）所示，柔模墻內(nèi)部最大主應(yīng)力最大數(shù)值為101MPa，最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力分布一致，除了巷道左側(cè)區(qū)域最大主應(yīng)力形式為壓應(yīng)力，其余各處均為拉應(yīng)力；如圖1（d）所示，巷道頂?shù)装遄钚≈鲬?yīng)力為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值為1.27MPa，最小應(yīng)力最大值出現(xiàn)在巷道左側(cè)煤體內(nèi)，最大數(shù)值為9.5MPa，柔模墻內(nèi)部最小應(yīng)力值為3.1MPa，拉力形式仍為拉應(yīng)力。

2.2"一次采動(dòng)影響下超前工作面10m應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

如圖2（a）所示，超前工作面10m處巷道頂?shù)装寰闯霈F(xiàn)塑性變形，兩幫僅出現(xiàn)深度為0.47m的剪切破壞，巷道較為穩(wěn)定；如圖2（b）所示，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)“拱形”的卸壓區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力較小，數(shù)值為0.02MPa，巷道幫部出現(xiàn)應(yīng)力集中，正幫側(cè)應(yīng)力集中數(shù)值最大，為13MPa；如圖2（c）所示，頂板的最大主應(yīng)力較底板最大主應(yīng)力數(shù)值較大一些，其余各處最大主應(yīng)力以巷道為中心呈“橢圓形”輻射，隨著距離巷道越遠(yuǎn)，最大主應(yīng)力數(shù)值也隨之減小；如圖2（d）所示，最小主應(yīng)力基本呈對(duì)稱分布，巷道頂?shù)装遄钚≈鲬?yīng)力為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值為0.04MPa，最小應(yīng)力最大值出現(xiàn)在正幫側(cè)，最大數(shù)值為8.5MPa。

3"二次采動(dòng)影響下巷道應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

3.1"二次采動(dòng)影響下超前工作面10m應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

如圖3（a）所示，根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，在二次采動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)距工作面超前10m時(shí)，巷道在不同位置都發(fā)生了不同程度的破壞，巷道負(fù)幫靠近采空區(qū)，破壞程度相對(duì)較大，破壞深度達(dá)2.5m，巷道正幫底角破壞延伸較遠(yuǎn)，達(dá)7.2m；如圖3（b）所示，垂直應(yīng)力集中出現(xiàn)在柔模墻頂部和底部，垂直應(yīng)力值最大達(dá)到了139.57MPa，而巷道正幫應(yīng)力集中分布范圍較大，但垂直應(yīng)力值相對(duì)較小，垂直應(yīng)力值最大達(dá)到了34.89MPa；由圖3（c）可知，巷道最大主應(yīng)力在巷道兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度的集中情況，在靠近柔模墻頂?shù)装逄帒?yīng)力集中程度最大，最大值達(dá)到142.63MPa，其他地方應(yīng)力值相對(duì)較小，且巷道正幫出現(xiàn)最大值為43.64MPa的最大主應(yīng)力集中情況；由圖3（d）可以看出巷道周?chē)嬖谝欢ǖ睦瓚?yīng)力，其拉應(yīng)力最大為2.48MPa，其余為壓應(yīng)力，其壓應(yīng)力最大處出現(xiàn)在巷道正幫一側(cè)，為26.89MPa，且柔模墻頂部出現(xiàn)應(yīng)力值最大為17.75MPa的最小主應(yīng)力集中情況。

3.2"二次采動(dòng)影響下超前工作面20m應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

如圖4（a）所示，根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，在二次采動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)距工作面超前20m時(shí)，除了巷道正幫底角其他位置都發(fā)生了不同程度的破壞，巷道負(fù)幫靠近采空區(qū)，破壞程度相對(duì)較大，破壞深度達(dá)2.5m，巷道正幫也產(chǎn)生深度達(dá)5.2m的破壞；如圖4（b）所示，垂直應(yīng)力集中出現(xiàn)在柔模墻頂部和底部，垂直應(yīng)力值最大達(dá)到了139.15MPa，而巷道正幫應(yīng)力集中分布范圍較大，但垂直應(yīng)力值相對(duì)較小，垂直應(yīng)力值最大達(dá)到了24.89MPa；由圖4（c）可知，巷道最大主應(yīng)力在巷道兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度的集中情況，在靠近柔模墻頂?shù)装逄帒?yīng)力集中程度最大，最大值達(dá)到1371MPa，其他地方應(yīng)力值相對(duì)較小，且巷道正幫出現(xiàn)最大值為33.64MPa的最大主應(yīng)力集中情況；由圖4（d）可以看出巷道周?chē)嬖谝欢ǖ睦瓚?yīng)力，其拉應(yīng)力最大為2.32MPa，其余為壓應(yīng)力，其壓應(yīng)力最大處出現(xiàn)在巷道正幫一側(cè)，為21.61MPa，且柔模墻頂部出現(xiàn)應(yīng)力值最大為18.64MPa的最小主應(yīng)力集中情況。

結(jié)語(yǔ)

巷道受到一次采動(dòng)期間，柔模墻內(nèi)部及巷幫兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中數(shù)值最大為超前工作面10m正幫應(yīng)力集中數(shù)值為121MPa，頂?shù)装宄霈F(xiàn)“拱形”卸壓區(qū)，應(yīng)力形式為拉應(yīng)力。巷道在二次采動(dòng)影響期間，巷道塑性區(qū)破壞深度大幅增加，兩幫塑性區(qū)破壞深度最大為2.5m，應(yīng)力集中程度也急劇增長(zhǎng)，超前工作面10m處正幫側(cè)集中應(yīng)力達(dá)到139MPa，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，沿空留巷柔模墻支護(hù)對(duì)維護(hù)沿空巷道穩(wěn)定性、減弱重復(fù)采動(dòng)下對(duì)巷道的擾動(dòng)影響具有重要意義，通過(guò)構(gòu)筑柔模墻支護(hù)能夠滿足保留巷道條件且正?；夭尚枨?。

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作者簡(jiǎn)介：曹宇翔（1987—"），男，漢族，陜西榆林人，碩士研究生，采礦工程師，主要從事煤礦開(kāi)采技術(shù)方面研究。