煤矿巷道连采连掘工艺应力分布仿真分析

白玉龙

(山西古县西山鸿兴煤业有限公司，山西 临汾 042404)

1 概述

我国的能源供应中，煤炭资源占据了70%的比例，煤炭的开采供应影响着我国经济社会的发展。我国的煤炭大部分采用井下巷道的方式开采，巷道的安全对于煤炭的安全生产具有重要的影响。由于巷道受到采动作用的影响严重，并且各种应力作用的影响，使得对于巷道的安全性能提出了较高的要求。随着煤炭开采技术的进步，自动化程度不断提高，在提高了开采效率的同时，也存在采掘失衡的问题[1]，造成掘进效率较低，无法满足开采的需求，同时巷道掘进过程中的应力作用较为突出，造成巷道的变形，无法进行煤炭的安全开采工作。

采掘失衡的问题造成煤矿生产的效率低下，为了解决这一问题，在水平或近水平煤层开采时，采用连采连掘的方式成为煤矿开采的新的工艺方式，采用多个巷道使得巷道的掘进和工作面的回采同时进行，通过配置相应的设备[2]，达到采掘平衡，提高煤矿的生产能力。采用多巷道进行连采连掘时，巷道受到的应力作用更加复杂，针对某煤矿依据巷道间的距离的不同对两个巷道进行开采时的应力进行仿真分析，由此确定巷道轴向采掘的最佳距离，为采用连采连掘方式的煤矿开采提供参考。

2 连采连掘工艺介绍

采用两个巷道进行连采生产时，连采工作面需要的设备主要包括连续采煤机、锚杆机、梭车、破碎机及输送设备。具体设备的配置数量，如表1所示。

表1 连采连掘配套设备清单

进行两个巷道连采连掘生产时，连续采煤机进行割煤和装煤操作，梭车将割下的煤矿运输至破碎机进行破碎处理，并将破碎后的煤炭装载到输送机上输送至指定的位置。连续采煤机在A巷道内进行割煤时，锚杆机在B巷道内进行支护，当割煤至循环指定位置后，连续采煤机开出A巷道，待B巷道内的支护工作完成后，锚杆机开出至巷道A的待支护位置，而连续采煤机进入B巷道内进行割煤，两个巷道之间通过横川连接，如此不断循环进行连采连掘[3]。在连采连掘进行时，铲车进行物料、设备的运输或者巷道内落煤的清理，设备多任务同时进行，提高煤矿的生产能力。

3 连采连掘工作面应力分布仿真

依据选定的工作面，选取计算模型大小为150 m×110 m×30 m(长宽高)，以此采用FLAC3D来分析两个巷道掘进开采时的应力分布情况，并确定巷道间的最佳距离。FLAC3D是利用差分法来进行运动及动力学求解仿真分析的软件，针对岩土的力学分析而开发，内置有各种常用的弹性、塑性体的模型[4]，可以针对复杂的工程力学与动力分析、温度分析等进行耦合，广泛应用在岩土工程应力仿真分析上，并取得了较好的模拟效果。

采用FLAC3D进行应力的仿真分析，需要建立两个巷道采掘时的模型，针对实际的物理模型进行一定的简化处理，在垂直方向上的支护、老底等均依据实际厚度进行模拟，在宽度方向上模拟采掘推进的距离。所进行采掘的煤层倾角最大为10°，平均角度为2°，煤层的厚度平均为6 m，煤层的结构单一，煤质较硬[5]。

在两条巷道同时采掘的工况下，两条巷道的应力受到每条巷道的尺寸及形状的影响，并且两条巷道之间的中心距离对于应力的整体分布具有重要的影响。依据实际采集采掘的工况及理论计算，在仿真分析过程中两条巷道间的中心距离选定为20 m，针对不同掘进距离的情况对应力集中及分布情况进行模拟分析，选定两巷道采掘的轴向距离分别为20 m、30 m、40 m，由此分析应力分布情况，并确定两条巷道轴向采掘的最佳距离。依据煤层的性质，设定相应的物理参数，对巷道间的轴向距离为20 m、30 m、40 m时垂直于两巷道的应力进行运行仿真计算，得到应力分布，如图1中a)、b)、c)所示。

图1 两巷道采掘时的应力分布

从图1中可以看出，在轴向距离为20 m时，巷道上方的应力值较大，且存在着应力集中和叠加的现象，随着轴向距离的增加，在30 m距离时的应力值减小较多，且应力集中和叠加的现象较小，在达到40 m的距离时，应力集中和叠加较少，但应力值相对30 m时的值减小有限。三者之间的应力集中系数随着轴向距离的增加，呈现逐渐变小的趋势，为进一步验证这一结论，设定对轴向距离为10 m、50 m的情况进行仿真计算，将得到的应力集中系数作图。如图2所示，轴向距离对垂直方向应力集中系数的影响趋势图。从图2中可以看到应力系数随着轴向距离的增加，呈现逐渐变小的趋势，并且在10 m～20 m及30 m～40 m～50 m变化的过程中，应力集中系数的变化率不大，主要的应力集中系数变化产生在20 m～30 m的轴向距离上，并且在30 m的情况下，应力分布较为平均，结合支护的安全性来讲，确定在两条巷道进行连采连掘时轴向距离以30 m为最佳的采掘距离。

图2 轴向距离对垂直方向应力集中系数的影响趋势图

4 结语

我国煤炭资源储量丰富，大都位于地下，煤炭资源在未进行开采时的应力状态稳定，而进行采掘的过程中，由于受到工程作用的影响，破坏了岩层的稳定性，造成应力的重新分布，应力的重新分布及工程作用的影响对巷道产生一定的压力，造成巷道的变形或者破坏，影响了煤矿的安全生产。随着采煤自动化程度的提高，为了提高掘进的效率，保证采掘平衡，在水平或近水平煤层开采时，采用连采连掘的工艺进行煤矿采掘，可以提高煤矿的生产能力。

进行连采连掘时，巷道受到的应力变化情况更加复杂，并且采掘的分配对应力的影响较大，针对两个巷道进行采掘时的应力及轴向距离的变化，采用FLAC3D软件在不同的轴向距离想进行应力分布的仿真分析。分析结果表明，30 m距离时的应力值减小较多，且应力集中和叠加的现象较小；应力集中系数随着轴向距离的增加，呈现逐渐变小的趋势，主要的应力集中系数变化产生在20 m～30 m的轴向距离上，结合支护的安全性来讲，确定在两条巷道进行连采连掘时轴向距离以30 m为最佳的采掘距离。