綜放采動影響下煤巷圍巖變形破壞規律研究

樊曉飛

(山西晉城煤業集團 勘察設計院有限公司， 山西 晉城 048006)

在我國煤礦開采中，近距離煤層賦存和開采所占比重很大，大多礦區都存在近距離煤層群開采的問題，如大同礦區、平頂山礦區及淮南礦區等，這些礦區開采規模相對較大，多數還具有厚煤層. 厚直接頂等復雜地質條件，綜放工作面在采動應力影響下沿煤層底板傳遞更大的應力，進而產生更大范圍的破碎區，對下煤層巷道的圍巖破壞相對嚴重并造成巷道維護困難等問題[1-2]. 因此，對綜放工作面下方回采巷道受多重疊加應力影響下圍巖的變形規律的研究，對后期巷道掘進時間及支護方式的選定很重要。

1 工程概況

某礦現階段主采煤層為4#煤與9#煤，其中4#煤為石炭系上統太原組頂部煤層，平均厚度為8.72 m，其直接頂平均厚15.0 m，巖性為中-粗粒砂巖，節理裂隙較發育，成分以石英為主；直接底厚1.98～6.80 m，平均厚4.11 m，巖性為砂質泥巖。9#煤直接頂平均厚度為1.12 m，主要成分為泥巖和炭質泥巖，基本頂厚度4.0～10.8 m，平均7.39 m，主要成分為中粗砂巖。

14106綜放工作面為該礦太西采區4#煤首采工作面，工作面埋深204～244 m，平均埋深224 m. 19106工作面為太西區9#煤首采工作面，上部為4#煤14106工作面，平均傾角較小為5°，與4#煤相距約38 m. 19106輔運巷采用內錯式布置，與上層煤輔運巷相距25 m，工作面布置見圖1. 為滿足礦井安全高產高效的實際需求，在14106工作面回采過程中，19106輔運巷受上方采動應力影響及自身掘進疊加效應，頂底板圍巖破壞變形嚴重，不得不停止掘進，且隨著后續4#煤工作面的推進，下方已掘的輔運巷所受影響依然強烈，據現場估測，底鼓量達20 cm，底板裂縫約5 cm.

圖1 19106輔運巷與14106工作面的位置關系圖

2 應力傳遞力學模型

工作面切眼貫通后開始煤體的回采工作，綜放工作面在上方煤體不斷垮落過程中，基本頂作為承載上方巖層直接載體，承受壓力較大，而后隨著工作面的繼續推進，基本頂斷裂形成斷裂拱將巖體載荷傳遞至拱腳兩端，切眼側實體煤相對破碎，形成了先增高至最大應力值后逐漸降低至原巖應力值，采空區在工作面推進過后一段時間趨于穩定，沿推進方向應力呈線性增大至原巖應力，其支承壓力分布見圖2.

P—垂直原巖應力，其值為γH L1—采空區內殘余支承壓力直至恢復至原巖應力的長度 L2—原巖應力為零的采空區長度 S1—工作面煤壁至支承壓力峰值之間的長度 S1—超前支承壓力峰值與回落至原巖應力區之間的長度圖2 工作面前后支承壓力分布圖

將圖2中所示應力減去原巖應力，得出工作面前后的應力增量分布規律，為簡化計算過程，將不易求解的煤體側的應力增量設定為三角形，其中x負方向高度為(k-1)p，簡化后的應力增量分布圖見圖3.

圖3 簡化后的工作面附加應力分布圖

假定上部煤層開挖后將底板煤巖層看做半平面體，為得到下方煤巖體內一點N所受上方煤層應力疊加效應，根據彈性力學中半平面體理論可建立坐標系，見圖3，x軸垂直向下，y軸水平向右，坐標原點為0點，取微小長度ζ，建立幾何關系后應用到半平面體公式中得出水平應力、垂直應力及剪切應力的微分方程(1)：

(1)

可以算出3個式子的積分：

(2)

式中：

δx—水平應力大小，MPa；

δy—垂直應力大小，MPa；

δz—剪切應力大小，MPa.

分別對L1、L2、S1和S2四個區域進行應力疊加，即可得出底板巖層不同位置的垂直應力、水平應力和剪切應力的分布狀態，見圖4.

圖4 煤層底板巖層應力分布特征圖

經matlab計算處理后得出：沿工作面推進方向工作面后方采空區淺部底板垂直應力和水平應力主要呈卸壓狀態，工作面煤壁前方實體煤底板應力相對集中，就集中程度而言，水平應力要明顯小于垂直應力。沿工作面推進方向來看，出現應力的采空區下方底板內出現剪應力，且剪應力最大值相比垂直應力更大，剪切力主要偏向采空區側底板，會嚴重影響底板采空區下方的煤巖層的強度，嚴重時會直接引起底板巖層的破壞。

3 數值模擬分析

根據實際礦井煤巖層分布狀態建立三維數值模擬模型，所建立的三維模型采用Mohr-Coulomb強度準則作為煤巖體材料屈服判據，其煤巖物理力學參數見表1.

對所建三維模型進行開挖計算，以得出4#煤14106工作面的開采過程中，9#煤19106輔運巷在掘進應力及采動應力疊加影響下的圍巖承壓狀態，進而運用此變形規律為后期巷道掘進時間及支護強度提供參考。煤巖層參數依據霍克布朗參數演化得到[3]，采空區在采后一段時間內圍巖應力基本穩定且呈現應變硬化的物理特性，與double-yield本構模型體現的性質基本類似[4]. 因此，將采空區運用此模型填充，僅留下工作面煤壁前方作為支架存放位置，這種模型設立方法更為科學。分別對工作面推進80 m、120 m、160 m和200 m時巷道圍巖的垂直應力進行模擬，并在工作面端頭處及19106輔運巷中線做切片分析，見圖5.

表1 煤巖層物理力學特性參數表

圖5 不同推進程度下輔運巷圍巖垂直應力分布狀態圖

從圖5中不同回采階段的圍巖垂直應力分布特征可看出：

1) 工作面煤壁前方及巷道兩側明顯呈現應力集中現象，煤壁前方在超前支撐壓力并在推進過程中峰值位置緩慢向煤體傳遞，在推進160～200 m峰值位置與端頭距離基本穩定，峰值呈現先增高后降低的整體趨勢。在巷道兩側受側向支撐壓力作用，端頭側切面云圖中應力峰值及所在位置基本相似。

2) 沿煤層傾向，工作面底板卸壓狀態明顯影響下方輔運巷原有圍巖應力分布狀態，隨推進時間的遷移，受超前支撐壓力影響的巷道范圍逐漸減小，且原有承壓破壞段巷道趨于穩定。

3) 沿煤層走向，采空區底板卸壓基本呈“倒八字”向下傳遞，基本與半平面體理論衍生的應力傳遞形式相仿，且隨工作面的不斷推進，底板卸壓范圍有明顯的縮減。下方19106輔運巷頂底板卸壓明顯，幫部相對較弱，如在不合理的支護形式下極有可能引起圍巖內“大小結構”的失穩，嚴重影響巷道穩定性。

4 結 論

1) 依據煤層走向的煤巖層分布狀態，建立簡化力學模型并得出沿工作面推進方向工作面后方采空區淺部底板垂直應力和水平應力主要呈卸壓狀態，水平應力相比垂直應力要小，沿工作面推進方向，采空區下方底板剪應力最大值相比垂直應力更大。

2) 建立數值模型并運用雙曲服模型對采空區填充，對煤層進行分布開挖，模擬綜放工作面在不同推進程度下輔運巷的圍巖應力演化過程，與傳統的直接將采區設置為空模型相比，呈現出動態的應力轉變過程。

3) 得出在工作面不斷推進情況下，19106高應力巷道頂底板相比幫部圍巖完整性更差，承載的應力明顯較低，為后期支護提供了理論基礎；沿煤層走向，采空區底板卸壓基本呈“倒八字”向下傳遞；沿煤層傾向，工作面底板卸壓狀態明顯影響到下方輔運巷原有圍巖應力分布狀態，且隨工作面的不斷推進，巷道受上方傳遞的超前支撐應力影響范圍有所減弱。