動(dòng)壓影響下巷道圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律數(shù)值模擬研究

楊 帆權(quán)春陽(yáng)

（1.晉能控股集團(tuán)雙創(chuàng)中心，山西大同037001;2.晉能控股集團(tuán)科技信息部山西大同037001）

0 引言

巷道的穩(wěn)定與安全與否直接影響礦井安全的正常生產(chǎn)，動(dòng)壓已是影響巷道支護(hù)質(zhì)量和效果的一個(gè)主要因素[1]，8103工作面位于王村煤業(yè)東盤區(qū)，平均埋藏深度為500.1 m左右，平均煤層厚度2.67 m。5103回風(fēng)巷在實(shí)煤中掘進(jìn)，巷道斷面凈寬×凈高=5 500 mm×3 200 mm，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 577 m，南為東盤區(qū)8101工作面，東為三條盤區(qū)巷，西、北均為實(shí)煤區(qū)，8103工作面5103回風(fēng)巷與相鄰8101工作面間隔25 m煤柱。5103回風(fēng)巷在服務(wù)期間要分別受到自身巷道掘進(jìn)、工作面頂回風(fēng)巷、相鄰8101工作面回采多種采動(dòng)影響，巷道圍巖應(yīng)力變化特征復(fù)雜，在多重礦山壓力的綜合作用下，對(duì)5103回風(fēng)巷巷道后期穩(wěn)定性會(huì)造成較大影響。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采煤工作面圍巖移動(dòng)特征、基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓、工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律等方面已取得了大量研究成果，但這些研究成果主要聚焦上覆巖層的“三帶”和回采空間周圍的煤柱區(qū)域，而對(duì)動(dòng)壓引起巷道圍巖變形破壞的研究成果尚不多見(jiàn)[2]。本文通過(guò)開(kāi)展巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，研究綜掘面巷道不同階段采動(dòng)應(yīng)力和變形特征，提出對(duì)非動(dòng)壓影響段巷道及動(dòng)壓影響段巷道差異化支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)特性研究

利用KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀、WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)定裝置及SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x，在王村煤業(yè)開(kāi)展了3組巷道圍巖綜合地質(zhì)力學(xué)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試工作，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試內(nèi)容包括井下巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)，圍巖強(qiáng)度測(cè)定、地應(yīng)力測(cè)量。如圖1所示。

圖1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果表明，王村煤礦山4#煤層直接頂砂質(zhì)泥巖平均原位強(qiáng)度在巷道淺部能夠達(dá)到70 MPa左右，且巷道頂板4 m范圍內(nèi)砂質(zhì)泥巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，且厚度超過(guò)3 m，對(duì)于后期巷道變形和維護(hù)是比較有利的因素，因此巷道直接頂圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好，巷道后期支護(hù)難度相對(duì)較小，如圖2所示。

圖2 山4#煤層頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)與圍巖強(qiáng)度測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明所測(cè)區(qū)域最大水平應(yīng)力均超過(guò)13 MPa，最大值為16.63 MPa，垂直應(yīng)力均超過(guò)10 MPa，應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等地應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)類型為σH＞σV＞σh型應(yīng)力場(chǎng)[3]，所測(cè)區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力以垂直水平應(yīng)力為主，水平主應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔么笥趯?duì)巷道兩幫的影響，垂直應(yīng)力主要影響巷道的兩幫受力和變形。

5103回風(fēng)巷道布置在北偏西73°上，最大水平主應(yīng)力方向北偏西33.3°和北偏東34.2°之間，這說(shuō)明5103回風(fēng)巷從地應(yīng)力的角度來(lái)說(shuō)巷道布置方向與最大水平方向夾角在40°～74°之間，此時(shí)最大水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性影響程度有一定影響[4]，考慮到最大水平應(yīng)力屬于中等偏低應(yīng)力場(chǎng)，故而其影響程度相對(duì)比較有限，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。

2 綜掘面巷道不同階段采動(dòng)應(yīng)力和變形特征

2.1 數(shù)值模擬方案

采用大型FLAC3D數(shù)值軟件，按照王村煤業(yè)實(shí)際工程地質(zhì)狀況，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正。取5103回風(fēng)巷左下角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸正方向，沿巷道方向垂直向內(nèi)為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，重力方向沿Z軸負(fù)方向，如圖3。分別模擬5103回風(fēng)巷、8103工作面頂回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，以及相鄰的8101工作面回采期間三種情況下巷道圍巖受力變形特征。

圖3 數(shù)值模型整體效果圖

2.2 5103回風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道圍巖受力變形特征

當(dāng)5103回風(fēng)巷掘進(jìn)后，由于受到臨近已掘進(jìn)完成的2101巷影響，兩條巷道垂直應(yīng)力存在一定的疊加效應(yīng)，而水平應(yīng)力和位移場(chǎng)疊加效應(yīng)不明顯。巷道掘進(jìn)后，水平應(yīng)力集中區(qū)域分布于巷道的頂板和底板。通過(guò)對(duì)比分析可見(jiàn)，最大垂直應(yīng)力峰值均為16 MPa左右，峰值位于巷道兩幫處，煤幫垂直應(yīng)力的峰值距離煤壁距離約為1.8 m，如圖4所示。

圖4 5103回風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖及煤柱垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

2.3 8103頂回風(fēng)巷掘進(jìn)影響期間巷道圍巖受力變形特征

5103回風(fēng)巷在掘進(jìn)完成之后，在巷道的工作面?zhèn)?0 m布置頂回風(fēng)巷，用于工作面瓦斯抽采。由于8103頂回風(fēng)巷的掘進(jìn)，巷道圍巖應(yīng)力與5103回風(fēng)巷工作面?zhèn)认锏赖拇怪睉?yīng)力產(chǎn)生了疊加效應(yīng)，導(dǎo)致垂直應(yīng)力的峰值有所增加，從原有的16.1 MPa增大到17.0 MPa，且垂直應(yīng)力的峰值區(qū)域從原有的巷道兩幫向右上方移動(dòng)。頂板最大的下沉量從56.6 mm增大為59.6 mm，巷道底鼓量基本保持不變，始終為88.2 mm不變，這說(shuō)明8103頂回風(fēng)巷掘進(jìn)對(duì)5103回風(fēng)巷造成一定影響，圍巖應(yīng)力和巷道變形量具有所增加，但是整體影響不是十分顯著，如圖5所示。

圖5 8103頂回風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖垂直應(yīng)力分布及5103巷位移

2.4 臨近8101工作面回采階段巷道圍巖受力變形特征

當(dāng)8101工作面回采之后，對(duì)8101工作面保護(hù)煤柱產(chǎn)生了很大的側(cè)向支撐壓力，導(dǎo)致煤柱上形成較大的垂直應(yīng)力集中，煤柱應(yīng)力狀態(tài)分布呈現(xiàn)出在工作面?zhèn)瘸霈F(xiàn)峰值應(yīng)力，8101工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力峰值達(dá)到43.6 MPa，5103回風(fēng)巷垂直應(yīng)力的峰值為23 MPa。8101工作面回采對(duì)5103回風(fēng)巷造成的動(dòng)壓影響十分明顯，巷道頂板相對(duì)比較掘進(jìn)階段產(chǎn)生較大的變形，此時(shí)巷道頂板最大變形量從掘進(jìn)期間的59.6 mm增大至166.9 mm，變形量相對(duì)比較回采之前增大了約2.8倍，如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 8101工作面回采期間圍巖垂直應(yīng)力分布

圖7 8101工作面回采期間煤柱垂直應(yīng)力分布狀態(tài)與5103巷道位移

8101工作面順槽長(zhǎng)度為1 850 m，而5103回風(fēng)巷長(zhǎng)度為2 500 m左右。針對(duì)5103回風(fēng)巷位于8101工作面回采動(dòng)壓影響地段（0 m～1 900 m）范圍內(nèi)，以及5103回風(fēng)巷不受8101工作面回采影響（1 900 m～2 500 m）范圍內(nèi)兩種情況應(yīng)進(jìn)行差異化支護(hù)設(shè)計(jì)。

對(duì)于非動(dòng)壓影響段巷道（1 900 m～2 500 m），巷道變形較少，幫部只進(jìn)行錨桿支護(hù)即可。對(duì)于動(dòng)壓影響段巷道（0 m～1 900 m），幫部還需錨索支護(hù)強(qiáng)化，強(qiáng)化幫部煤體承載能力，強(qiáng)化后的幫部錨固體支撐頂板和底板，減少頂板廣義撓度和底板跨度，從而減少動(dòng)壓影響巷道的頂板下沉和底鼓。

3 結(jié)論

（1）地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明8103工作面應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等地應(yīng)力場(chǎng)，水平主應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔么笥趯?duì)巷道兩幫的影響，巷道開(kāi)挖后，圍巖初期變形速度快，變形量大，在施工的過(guò)程中應(yīng)及時(shí)對(duì)圍巖施加合理的預(yù)緊力，減少巷道的初期變形[5]。當(dāng)5103回風(fēng)巷掘進(jìn)后，由于受到臨近已掘進(jìn)完成的2101巷影響，兩條巷道垂直應(yīng)力存在一定的疊加效應(yīng)，而水平應(yīng)力和位移場(chǎng)疊加效應(yīng)不明顯。

（2）8103頂回風(fēng)巷掘進(jìn)導(dǎo)致5103回風(fēng)巷應(yīng)力和變形均有所增加，但影響不明顯。

（3）8101工作面回采導(dǎo)致煤柱垂直應(yīng)力集中，側(cè)向支承壓力升高，工作面回采對(duì)巷道變形及應(yīng)力影響較大。對(duì)于動(dòng)壓影響段巷道，巷道幫部需錨索支護(hù)強(qiáng)化，從而減少動(dòng)壓影響巷道的頂板下沉和底鼓。