急倾斜特厚煤层水平分层开采巷道断面形状选择的数值模拟研究

《Scientific Reports》：Numerical simulation research on roadway section shapes selection for horizontal slicing mining of steeply dipping extra thick coal seams

　　

摘要

急倾斜特厚煤层水平分条开采巷道受顶底板不均衡竖向压力、强烈单向水平压力及煤层倾角滑移三种不利因素影响，灾害风险突出。不同断面形状使巷道围岩产生不同的力学响应，但目前对于哪种断面形状具有最优的综合控制能力及其对应的响应特征尚未达成共识。这一现状限制了义门煤矿巷道断面形状的选择及支护方案的制定。以该矿为工程背景，本研究采用数值模拟方法对比分析了直角梯形巷道、等腰梯形巷道和半圆拱巷道的围岩力学响应特征。研究选择半圆拱巷道用于该矿，并制定了非对称支护方案：在顶板回采巷道的右侧围岩和底板回采巷道的左侧围岩布置更密集的支护。研究结果表明，顶板回采巷道与底板回采巷道的围岩表现出以下共同的力学响应特征：巷道塑性破坏以剪切破坏为主，底板因滑移效应呈现最高的塑性发展程度；巷道应力呈反向分布，竖向载荷在顶底板引起拉应力集中、在两帮引起压应力集中，而水平载荷则相反；巷道围岩竖向和水平位移沿断面形成双向分区收敛特征。差异化力学响应特征也有体现：对于顶板回采巷道，偏心力主要体现为左帮竖向压应力增大和顶板水平压应力升高，变形表现为右帮片帮和底板鼓出；对于底板回采巷道，偏心力主要体现为右帮竖向压应力增大和底板水平压应力升高，变形以左帮片帮和顶板下沉为主。偏心力矩作用下，高应力区对侧的围岩变形更为显著。巷道断面形状对顶板回采巷道和底板回采巷道的影响规律相似：半圆拱将较大的水平拉应力转化为较小的压应力，显著抑制了应力集中和围岩变形，降低了塑性区发展，综合控制效果最优；直角梯形巷道仅能有效降低顶板回采巷道的水平拉应力，整体控制效果最差；等腰梯形巷道控制效果适中，可作为半圆拱巷道的替代断面形状。现场监测结果表明支护效果良好。所提方案有效保障了矿井安全生产，可为类似地质条件下工程方案的制定提供参考。