1、专题部分 第14页双巷掘进副巷采动变形规律的数值模拟研究摘 要: 本文以阳煤集团新大地煤矿为例，通过使用UDEC数值模拟软件进行分析计算，模拟了15201工作面开采后，不同尺寸煤柱条件下进风副巷与进风巷之间煤柱的应力与变形的演化规律，以及不同尺寸条件下进风副巷的应力、变形的演化规律，得出双巷掘进时副巷受采动变形的基本规律以及煤柱尺寸的合理留设，为具有类似条件的巷道掘进提供参考。关键词：双巷； 数值模拟； 进风副巷； 采动变形； 煤柱尺寸1 绪论1.1问题的提出与研究意义我国一次性能源消耗中，煤炭约占70%左右，且未来50年仍然是我国国民经济发展的主要能源。未来几十年内，我国以煤炭为主体的能源结
2、构不会改变，煤炭工业能否健康发展事关我国能源安全和经济可持续发展1-3。然而随着现代化矿井建设步伐的加快和煤炭机械化水平的提高，开采深度不断增大，为了减少综采工作面的搬家次数和通风系统调整的频率，从而大大提高生产效率，工作面走向推进长度也呈现逐渐增大的趋势。但是在巷道掘进施工过程中，由于受到通风条件及机械设备性能的制约，对于长度超过1000 m的巷道进行掘进施工时若采用独头、单向掘进方式进行施工，给生产技术管理和通风管理工作带来了较大的困难，甚至于难于进行。尤其我国许多高瓦斯矿井，由于其通风需要，井巷掘进断面大，掘进速度快，瓦斯涌出量大，采用单巷布置与掘进时经常由于局部通风机供风能力有限，瓦斯
3、经常超限，巷道无法安全掘进。因此寻求一种在高瓦斯、长距离掘进条件下的掘进方式并解决通风难题已经显得十分迫切，经过现场工程技术人员的共同研究讨论，双巷掘进是一条行之有效的可靠方法。双巷掘进是指在工作面巷道掘进过程中，同时掘进两条巷道，每隔一定距离开掘联络巷道将两条巷道联通。这种方法可以将单巷掘进的长距离局部通风机供风系统变为一条掘进巷道进风、一条掘进巷道回风的全负压通风系统和掘进工作面正常距离的局部通风系统。这样可以有效的增大掘进工作面的供风量，是解决高瓦斯工作面快速掘进通风问题的一种有效方法。而且，采用双巷布置与掘进可提前探明煤层的变化情况，有利于掘进通风及安全，便于辅助运输及排水，而且有利于
4、区段工作面的接替。因此，许多矿井使用双巷掘进来代替单巷掘进以解决巷道通风能力不足，瓦斯浓度频繁超限的问题4,5。而且，从历史角度来看，双巷掘进技术并不是一种新的掘进工艺，而是一种较为传统的掘进工艺。由于双巷掘进占用设备多，掘进效率低，同时存在其中一条巷道闲置时间长，维护费用高等问题。因此，从20世纪90年代以来，随着长距离单巷掘进通风技术及配套装备的成熟，在低瓦斯矿井中，双巷掘进方式已很少使用。但是随着瓦斯的增高，长距离独头巷道通风越来越困难，决定长距离单巷掘进速度的主要因素，不再是设备和工艺能力，而是瓦斯问题。在这种条件下，双巷掘进的特殊功能重新得到人们的重视。但是，围岩变形是煤矿巷道中不可
5、避免的动力现象，围岩变形后巷道断面缩小，阻碍运输、通风和行人等，因围岩变形而造成巷道报废的现象在煤矿中时有发生，严重时还可影响矿井的正常生产以及威胁人员的生命安全。为了控制围岩的变形量，减小因围岩变形而造成的煤炭损失，就需要确定合理的区段煤柱留设而且。随着煤炭科学技术进步，矿山现代化促进了生产的高产高效，煤炭资源开发的深度逐年增加，如果区段保护煤柱过小，巷道变形严重，难以维护，维护费用高；煤柱过大一方面浪费煤柱，另一方面可能使巷道处于侧向支承压力高峰区内，从而使巷道更容易变形破坏。因此，要在保证安全回采前提下尽量提高采出率，区段煤柱的合理留设是一个很迫切的问题4。而双巷掘进需要解决的难题之一就
6、是煤柱尺寸的留设问题。鉴于此，本文通过以阳煤集团新大地煤矿为例模拟了15201工作面开采以后，使用udec软件模拟不同尺寸煤柱条件下进风副巷与进风巷之间煤柱的应力与变形的演化规律，以及不同尺寸条件下进风副巷的应力、变形的演化规律，根据副巷变形规律留设合理的煤柱尺寸，为其他具有类似条件的巷道掘进提供了参考价值。研究双巷掘进副巷采动变形规律有以下重要意义：1）能为阳煤集团新大地煤矿更好的留设进风巷与副巷之间煤柱尺寸提供依据，使其可行性评估更加准确。2）留设合理的煤柱尺寸始终是双巷掘进的必要条件之一，进行副巷采动变形规律的研究为生产和设计提供依据3）对降低生产成本，减少资源浪费，确保安全生产，实现矿
7、井高产高效也有着现实的意义。因此，研究副巷采动变形规律是巷道支护设计的重要内容之一，也为区段煤柱的合理留设提供了依据。煤柱留设的合理，不仅对巷道支护可以起到事半功倍的效果，而且节约支护成本，保证安全。因此，本论文具有较大的研究价值。1.2 主要研究内容及研究方法1.2.1 研究内容1）根据15201工作面基本条件，模拟15201工作面开采后，5 m、10 m、15 m、17 m、20 m、22 m等煤柱尺寸条件下，进风副巷与进风巷之间煤柱的应力、变形的演化规律；2）模拟15201工作面开采后，5 m、10 m、15 m、17 m、20 m、22 m等煤柱尺寸条件下进风副巷的应力、变形的演化规律
8、；1.2.2 研究方法根据论文研究内容，确定采用理论分析、数值模拟相结合的综合研究方法。1）理论分析根据受采动影响的巷道围岩变形规律，运用现有理论知识对区段煤柱变形机理以及副巷受采动影响变形规律等进行研究。2）数值模拟试验运用数值模拟软件UDEC研究，受采动影响的区段煤柱的变形机理以及副巷受采动影响的变形规律。2 理论分析2.1 巷道围岩变形分析2.1.1 巷道围岩变形量的构成巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。巷道顶底板移近量是指巷道中心线高度减少值；两帮移近量是指巷道 沿腰线水平的减少值。巷道围岩变形量主要由掘进引起的变形、回采引起
9、的变形以及采掘影响趋近稳定后的围岩流变组成。由于开采条件以及支护方式的不同，巷道围岩变形量和变形速度相差很大6。2.1.2 巷道围岩变形的一般规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化，围岩变形主要经历五个阶段。1）巷道掘进影响阶段煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道的埋藏深度和围岩性质。2）掘进影响稳定阶段掘进引起的围岩应力重新分布趋于稳定，由于煤岩一般具有流动性，围岩变形还会随时间而缓慢增长，但其变形速度显著减小
10、。巷道围岩变心速度仍取决于埋藏深度和围岩性质。3）采动影响阶段巷道受工作面回采影响后，在回采引起的超前移动支撑压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支撑压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。远离工作面后方，巷道围岩变形速度逐渐衰减。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式以及工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。4）采动影响稳定阶段回采引起的应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低，但仍然高于掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不断缓慢增长。5）二次采动影响阶段巷
11、道受本区段回采工作面的回采影响时，由于上区段残余支承压力，本区段工作面超前支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力又一次重新分布，塑性区进一步扩大，应力的反复扰动使围岩变形比仅受一次采动影响更加剧烈7。2.2 煤柱受力分析及变形特征2.2.1 煤柱中的支撑压力分布特征目前，国内外研究认为，护巷煤柱上的载荷，是由煤柱上覆岩层重量以及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的8-11。因此，如图2-1所示，一单位长度煤柱上的总荷载为：图2-1 煤体载荷示意图（2-1）式中：B煤柱宽度，mD采空区宽度，mH巷道埋深，m采空区上覆岩层垮落角；煤柱上覆岩层平均容重，kN/m3
12、但是煤柱上覆荷载并不是平均施加到煤柱上的，根据土力学中关于临界载荷计算公式，可由附加应力公式计算在上覆荷载作用下，产生煤柱内部的附加大小主应力；（2-2）式中：，分别为附加大小主应力；P上覆岩层荷载；2计算点至均布载荷边缘的视角；B条形均不载荷的宽度。另外还要加上计算点以上煤层自重引起的应力（2-3）式中：，煤柱中某点 以上的自重应力；K0静止侧压力系数；Z计算点至顶板的距离，m。计算点的应力应该有上述两部分叠加而成，但是自重应力主应力方向为竖直和水平方向，为了使后面推导计算公式不太复杂，简化假定K0=1，这样自重作用下的大小主应力相等，相当于静水应力状态，主应力与方向无关，总的主应力就可以按
13、照代数和叠加 （2-4）当计算点的应力达到极限平衡条件时，该点的应力应满足强度条件。大小主应力之间的关系为：（2-5）将大小主应力公式带入上式，即得（2-6）整理后得：（2-7）公式中，Z为塑性区深度，当煤柱宽度（B），采空区宽度（D）、埋深（H），岩层垮落角，以及煤层的强度指标（，c）等为已知时就可利用公式（2-7）根据煤柱内不同点的值计算出相应塑性区的深度，把一系列的点连起来，即为煤柱内塑性区开展理论计算区域的轮廓线。通过在给定不同条件下的实验计算，得到如下结论：1）煤柱中塑性区的开展寿险由煤柱上部及两侧开展，塑性区区域呈一个倒置的“凹”字形，因此护巷煤柱两侧煤体最容易破坏，尤其是上区段采
14、空区侧，受到两个工作面回采扰动时很难保持稳定状态。当煤柱宽度合适时，塑性区的开展在煤柱内部不能够连成连通区域，存在一定宽度的弹性区域，使煤柱的护巷效果提高。2）煤柱中塑性区的开展与采空区宽度及埋深关系不大，由此说明，在采高及其他回采条件一定时，对煤柱变形破坏产生影响的上覆岩层范围是有限的，可以控制的，煤柱的变形与破坏受本身宽度及强度影响较大，理论上煤柱宽度越大强度越高，其塑性区的开展范围就越小，护巷效果就越好。但是，当煤柱宽度达到一定值时，将使巷道处于侧向支承压力高峰区内，从而使巷道围岩更容易变形破坏12。2.2.2两巷间煤柱变形特征工作面在回采过程中引起上覆岩层移动，破坏了上覆岩层的应力平衡
15、状态，从而引起岩体内的应力重新分布，采空区侧向煤体上的支承压力也随之发生变化。在顶板运动支承压力重新分布过程中，侧向支承压力峰值将向煤体内转移。边缘煤体发生塑性破坏，在煤体边缘一定范围形成应力降低，随着回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支撑13。其侧向支撑压力分布规律如图2-2所示：图2-2 工作面侧向支承压力分布一般，从煤体边缘到内部，一般将出现片帮区、松弛区、塑性区以及应力升高的弹性区。片帮区的围岩松动塌落，不能承受垂直压力，只可传递水平应力。松弛区内的围岩已发生明显位移，围岩强度显著削弱，只能承受低于原始应力的载荷，也称卸压区或者应力降低区。塑性区承受着高于原始应力的载荷，它与应力升高的弹性区和在一起成为承压区，也称为应力升高区。塑性区与弹性区的交界处为垂直应力峰值点14。3数值模拟3.1数值模拟方法概述及UDEC数值模拟软件简介3.1.1 数值模拟方法概述由于传统的解析方法已经不能解决现在工程实际的复杂问题，在近二十多年，随着计算机技术的发展，数值模拟技术得到了广泛的应用。计算机数值模拟方法已经能较好的模拟非均质、各向
