深井沿空掘巷应力分布数值模拟

深井沿空掘巷应力分布数值模拟
摘要：沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。

本文简要说明了沿空掘巷的原理及方式，采用岩石破裂全过程分析系统RFPA2D系统对沿空掘巷进行了数值模拟。

其结果较好地说明了沿空掘巷的应力分布规律及巷道的破坏形式。

关键词：深井沿空掘巷应力数值模拟
Roadway driving along goaf deep stress distribution in numerical
model
Chen Zhou
(Guizhou university institute of mining)
Abstract:Roadway driving along goaf is one of the effective methods to improve the coal recovery rate. This paper illustrates the principle and the method of roadway driving along goaf, the rock failure process analysis system (RFPA2D) roadway driving along goaf in has carried on the numerical simulation. The result of roadway driving along goaf better illustrates the stress distribution rule and roadway destruction form.
Key words：Deep well Roadway driving along goaf stress The numerical simulation 1、引言
窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。

沿空掘巷技术由于巷道具有煤炭采出率高、容易维护等诸多优点，近些年来受到了广大学者和工程师的极大关注，在我国多个矿区逐渐推广应用。

窄煤柱是沿空掘巷围岩的重要组成部分，其稳定性直接影响巷道整体的稳定性，。

随着煤矿开采机械化程度的提高，矿井产量和开采深度的不断加大，对煤炭采出率和回采巷道支护技术要求越来越高，传统的留设较宽的区段煤柱护巷的支护方式已不能满足要求。

因此研究分析沿空掘巷应力的分布，有针对性的合理设计沿空掘巷的支护方式十分有必要。

2、沿空掘巷基础沿空掘巷就是沿已稳定的采空区边缘
或与采空区之间留小煤柱布置巷道,
在该巷道掘进时, 相邻采空区岩层活
动相对已经停止, 其回采期引起的应
力重新分布也趋于稳定, 此时, 沿空
掘进的巷道处于应力降低区, 有利于
巷道维护【1】。

2.1 沿空掘巷的三种方式
（1）完全沿空掘巷
上区段采动影响稳定后。

紧贴上
区段废弃的巷道，在煤层边缘的媒体
内重新掘进一条巷道。

（2）留小煤柱沿空掘巷
上区段采动影响稳定后，巷道不
紧贴上区段采空区边缘掘进，在巷道
与采空区只见留设1-3m的隔离小煤柱。

（3）保留部分老巷断面沿空掘巷
基本上是留一条巷，掘一条巷，
实际可用大断面沿空掘巷或留巷取代。

2.2 窄煤柱沿空掘巷矿压显现【2】
沿空掘巷前，岩层运动已稳定在
采空区附近，媒体的残余支承压力处
于极限平衡状态。

沿空掘巷破坏了原
有平衡，巷道边缘的媒体会出现新的
破裂区、塑性区，支承压力向媒体深
部移动。

巷道掘进后，窄煤柱遭到破坏而
卸载，引起煤柱向巷道方向强烈移动。

巷道另一侧的媒体，由原来承受高压
的弹性区，衍变为破裂区、塑性区。

随着支承压力向媒体深部转移，媒体
也向巷道方向显著位移。

3、模型建立
3.1 岩石破裂全过程分析系统RFPA2D
简介
由东北大学岩石破裂与失稳研究
中心开发的岩石破裂全过程分析系统RFPA2D基于有限元理论和全新的材料
破裂过程算法思想, 它通过考虑材料的非均匀性来模拟材料的非线性, 通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏的非连续行为, 可用于研究岩石(岩体) 材料从细观损伤到宏观破坏的全部过程。

RFPA2D可以计算并动态演示材料从受载到破裂的完整过程, 整个系统具有较强的开放性和可扩展性【3】。

3.2 模型简介
某矿巷道埋深600m以上，模拟巷道断面形状为矩形，宽4.5m，高3.5m。

巷道简化为平面应变问题，考虑岩体初始应力及水平应力。

模型中巷道围岩的力学参数见表 1【4】。

模型形状及参数分布如图1所示。

灰度代表单元弹模值的大小，亮度越高值越大。

模型建立的详细方法请见参考文献【5】。

表 1 数值模型各岩层的力学参数
岩性厚度弹模
（GPa）泊松比容重
（N/m3）
σc
(MPa)
σt
(MPa)
内摩擦角
ϕ（°）
中粒砂岩 3.0 30.1 0.120 26 000 121.6 5.14 46.65 砂质泥岩 3.1 11.9 0.050 25 300 84.6 3.16 46.45 煤层 3.6 1.50 0.280 13 800 24.8 4.50 48.43 泥岩 2.5 19.0 0.204 25 000 33.7 1.26 43.26 砂质泥岩 3.0 11.9 0.050 13 800 24.8 4.50 48.43 采空区 3.6 10.0 0.150 20 000 15.0 3.00 46.65
图1 模拟模型示意图4、模拟结果及分析
模拟过程总共250步，每步加载增量0.1MPa，第91步时，巷道发生横向破坏。

4.1 总体应力分布
分别选取第1步、第91步、第200步为分析对象，其剪切应力分布如图2所示。

图中亮度代表应力大小，亮度越高。

应力越大。

第1步
第91步
第200步
图2 总体应力分布
如图所示，对于沿空掘巷，在采空区边缘及护巷煤柱靠近采空区一侧上方会出现应力集中。

随着载荷增大，应力也逐渐增大，并且逐渐向巷道及煤体方向转移，引起大量应力集中，巷道最终受到横向剪切破坏。

4.2 单元内应力分布
分别选取第91步，巷道破坏时，巷道纵向（Y方向）中心线上各单元以及巷道横向（X方向）中心线上各单元，分析其最大、最小应力，径向应力、环向应力的分布，如图3、图4所示。

图中stress1、stress3分别代表各单元所受的最大、最小主应力，sigmax,sigmay分别代表各单元所受的径向应力和环向应力。

图3 纵向各单元内应力分布
图4 横向各单元内应力分布
巷道纵向中心线上各单元主要受初始应力（岩层自重）作用，所受的径向应力水平较环向应力水平大，最大主应力以及径向应力总体水平较为均衡。

巷道横向中心线上各单元所受的最大主应力远大于最小主应力，所受的环向应力远大于径向应力。

且在护巷煤柱靠近采空区一侧，最大主应力出现峰值。

5、结论
运用岩石破裂全过程分析系统RFPA2D对沿空掘巷经行了初步模拟，初步分析出了沿空掘巷的应力分布规律及破坏形式。

参考文献
【1】司利军，王军．浅谈推广沿空掘巷的必要性和可行性【J】．煤炭工程，
2003年第10期：49-51．
【2】钱鸣高，石平五，许家林．矿山压力与岩层控制【M】．徐州，中国矿
业大学出版社，2010,226-227．【3】唐春安，赵文．岩石破裂全过程分析软件系统RFPA2D【J】．岩石力学与
工程学报，1997，16( 5) : 507-508．【4】朱若军，郑希红，徐乃忠．深井沿空掘巷小煤柱合理宽度留设数值模
拟研究【J】．地下空间与工程学报，
2011,7（12）：300-310．
【5】唐春安，王述红，傅宇方．岩石破裂过程数值试验【M】．科学出版社．。