孤岛工作面回采巷道掘进应力分布规律模拟研究

孤岛工作面回采巷道掘进应力分布规律模拟研究

周长峰

大屯煤电集团公司 某矿 江苏省 沛县 221600

摘  要：大屯矿区某矿地质条件复杂、断层发育、顶板坚硬、开采应力水平较高，具有一定的冲击地压风险。由于开采历史原因，矿井东九采区未完全按照顺序开采，遗留一不规则的孤岛工作面——7197工作面。该工作面两侧分别为7195和7199工作面采空区，系较为典型的孤岛工作面。工作面布置不规则，斜长由回采初期的49m至末期的162m，斜溜子道沿F15逆断层布置。孤岛工作面较一般工作面更易形成局部区域的应力叠加和集中，导致工作面冲击危险性较高。

关键词：孤岛工作面；逆断层；应力叠加；

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1 课题提出

1.1 突出问题

大屯矿区某矿地质条件复杂、断层发育、顶板坚硬，开采应力水平较高。7197工作面系两侧采空的孤岛工作面，加之其不规则布置和溜子道沿断层掘进等不利因素，冲击地压风险很高。

1.2 课题研究的目的及方法

要想达到有效的防治冲击地压，保证工作面安全掘进的目的，摸清工作面掘进过程中的应力分布特征和规律十分关键，所以我们利用FLAC3D模拟程序对工作面巷道应力分布特征和规律进行模拟研究。

2 模型的建立

2.1  7197工作面掘进计算模型

为了全面、系统地反映7197工作面掘进过程中巷道及采场围岩的力学变化过程，以徐庄煤矿7197工作面地质和开采技术条件为背景，建立FLAC3D三维计算模型进行数值模拟。模型沿走向长1900m，沿倾斜宽1040m，模型高度为292.2m。三维模型共划587766个三维单元，共674624个结点。对于模型计算边界条件，首先将模型的四周各边界各施加水平约束，即四周边界的水平位移为0；然后再将模型的底部边界固定，即底部的边界水平、垂直位移都为0；最后将模型的顶部设为自由边界。

同时，在模型的顶端施加等效的载荷，即将自重力按下式得到：

z=Y H

式中：Y一覆岩的体积力，25kN/m3；

H一模型顶界距地表的深度，m。

在本次模拟中，模型的最上岩层埋深为342.6m，故在模型上边界施加8.565MPa的等效垂直应力载荷。

2.2  7197工作面掘进模型计算参数

现场取样和岩石力学试验结果，当载荷达到强度极限后，岩体产生破坏，在峰后塑性流动过程中，岩体残余强度随着变形发展逐步减小。因此，计算中采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏（(2-1)式）；采用应变软化模型以反映煤体破坏后随变形发展残余强度逐步降低的性质。           (2-1)

式中，1、3 分别是最大和最小主应力，c，分别是粘结力和摩擦角。当fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（3T）判断岩体是否产生拉破坏。

根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学试验结果，考虑到岩石的尺度效应，模拟计算采用的岩体力学参数见表2-1。

表2-1 岩体物理力学参数

采空区冒落矸石是一种松散介质。宏观上，它对顶板支撑的力学作用可近似地用弹性支撑体表述，采空区垮落材料具有宏观连续和不可逆压缩变形的特点，垮落矸石在各向同性压力作用下造成永久性体积缩小和应变硬化现象。这种体积硬化力学行为以用体积硬化模型描述。

随着工作面推进和时间增长，矸石在覆岩作用下逐步被压实，材料的密度、弹性模量E和泊松比υ随时间而增加。已有研究表明，ρ、E和v变化规律可由以下经验公式表述：

kg/m3            (2-2)

  MPa          (2-3)

           (2-4)

式中，时间t的单位为年。上式(2-2)～(2-4)反映出、E和υ随时间呈指数增长的变化关系，最终达到恒值。

2.3 7197工作面掘进模型计算过程

采矿工程的力学特点是岩体力学行为与开采历史和开采过程有关。为了正确模拟徐庄矿7197综采面巷道掘进引起的采场周围应力分布和巷道的变形情况，本计算分以下步骤进行：

（1）计算在给定边界力学与位移条件下模型的初始状态；

（2）依据开采的实际顺序，模拟开采7197周围采空区的应力状态。

（3）模拟开掘7197工作面回风巷、皮带巷及开切眼；

（4）分步模拟开采7197工作面煤层。

考虑到既能反映现场实际情况又能准确预测预报下山保护煤柱区的受力状态，特将临近工作面的采掘情况依照实际尺度开挖，将模型尺度长度加至1600m,宽度为740m；并且于各边界将煤柱扩宽150m以消除边界效应的影响。

3回采巷道掘进期间应力分布规律

3.1 应力分析

图3-1 回采巷道掘进后的垂直应力图

图3-1是7197回采道巷掘进完毕后的垂直应力分布图，由图可见，7197轨道巷在掘进过程中受与7195采空区的区段煤柱的影响出现一定程度的应力集中现象，主要表现在开切眼与材料巷的交接处，垂直应力最大值约40MPa，存在一定的冲击危险性，在掘进期间相对皮带巷整体冲击危险性相对较高，此时巷道掘进至507m。而皮带巷在掘进过程中受地质、开采等因素影响较小，整体冲击危险水平相对材料巷略低。

4  结论

本次模拟主要研究7197工作面掘进过程中区域应力分布情况，首先将依据现场实际开采顺序开挖模拟7197周围工作面回采后的应力状态，为了使模拟效果不失真，应根据实际条件反映出7195和7199工作面的开挖形状。然后模拟7197工作面在掘进过程中的围岩受力特征及煤壁支承压力的变化，从而划分出冲击危险区域。

7197轨道巷在掘进过程中受与7195采空区的区段煤柱的影响出现一定程度的应力集中现象，而皮带巷在掘进过程中受地质、开采等因素影响较小，整体冲击危险水平相对材料巷略低。

参考文献:

《采矿地球物理学--矿山震动》

《煤矿冲击地压防治》

《煤矿冲击地压实用监测技术》

作者简介：周长峰，男，具备工程师职称，现就任于大屯煤电集团有限公司某矿，冲击地压防治科副科长（首席分析师）。周长峰从事多年的煤矿技术与生产管理工作，具有过硬的技术水平及丰富的生产管理经验。

作者联系方式：江苏省徐州市沛县大屯煤电公司。

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