采空區巷道圍巖應力分布及穩定性分析

吳建蘭

（大同煤礦集團有限公司煤峪口礦地測科，山西 大同037041）

1 工程概況

在多煤層開采過程中，由于煤層間的距離較近，使得上煤層的開采對下煤層巷道圍巖造成很大的應力，進而出現應力集中。巷道圍巖應力升高，增加了巷道支護的困難，易出現巷道圍巖不穩定、支護破壞的現象[1-2]。煤峪口礦14#煤層位于12#煤層采空區的下方，兩煤層平均間距為6.83 m。12#煤層的平均煤層厚度為2.47 m，埋深為230 m，直接頂是灰色泥巖，平均厚度1.2 m，老頂是砂巖，平均厚度1.47 m；14#煤層的平均煤層厚度為2.0 m，埋深237.5 m，直接頂是砂質泥巖，平均厚度1.57 m，底板是泥巖，平均厚度1.4 m。14#煤層巷道中心距離12#煤層的采空區約5.4 m，采用長壁開采法進行開采，采用垮落法進行頂板管理。

2 數值模型的建立

對12#煤層采空區建立UDEC 模型，模型的尺寸為160 m×62.5 m，模型左邊界40 m 處是煤層開采邊界，模擬的可開采工作面長度為80 m，煤層埋深為230 m，采用摩爾庫倫屈服準則[3]，建立左右邊界是單約束，底部邊界是全約束的數值模型，在頂部均勻地施加5 MPa 載荷，模擬過程包括初始應力的生成—計算12#煤層回采平衡—將數據導入到FLAC3D—初始應力的生成—計算14#煤層支護平衡，根據巖體物理力學實驗[4]，計算整個模擬過程中的巖層物理力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數

3 巷道圍巖應力分布

在12#煤層開采完后，得到14#煤層的應力分布規律見圖1，從圖中可以看出，不同位置的應力分布是不同的，具體為：

圖1 14#煤層應力分布規律

1）在與12#煤層采空區正下方的距離較遠時，可以看出，14#煤層的垂直應力Szz 曲線呈先升高后下降的趨勢，在距離采空區8 m 時，垂直應力達到最大值，約10.1 MPa，而水平應力Sxx 的變化幅度較小，約下降1.9 MPa，剪切應力Sxz 在處于采空區正下方時達到最大值，約0.78 MPa。

2）垂直應力、水平應力、剪切應力在距離采空區正下方10 m 的范圍內變化較大，在距離采空區正下方20 m 以上的基本不受影響，可見，12#煤層采空區對14#煤層的影響范圍比較劇烈的是在10 m范圍內。

3）14#煤層巷道中心在距離采空區正下方5.4 m時，巷道的垂直應力較高，影響劇烈，是巷道難支護區域。

4 巷道穩定性分析

4.1 巷道圍巖應力分布

根據圖2中巷道腰線處垂直應力的分布圖可以看出，矩形巷道由于垂直應力的分布，在矩形巷道兩邊的垂直應力急劇變化，在對巷道進行半圓拱形優化后，巷道兩邊的應力相對過渡比較平穩，最大垂直應力達到12.8 MPa；而水平應力相對垂直應力的分布要復雜一點，在對巷道支護優化后，巷道可以支撐的最大應力達到10.3 MPa。

圖2 巷道垂直應力曲線

矩形巷道周圍的剪切應力會急劇變化，出現剪切應力集中的現象，在對巷道進行半圓拱形優化支護后，根據巷道圍巖剪切應力的分布云圖3可以看出，剪切應力最大為3.76 MPa，應力集中程度遠小于沒有經過優化的狀況，而且應力的分布離巷道表面更遠。

圖3 巷道圍巖剪切應力分布云圖

4.2 巷道圍巖塑性區分布

根據巷道圍巖的塑性分布規律，見圖4，由于上覆煤層存在采空區，巷道圍巖周圍出現不對稱的塑性區，在受剪切應力破壞的區域整體呈橢圓形分布，在巷道圍巖的表面出現小范圍的拉伸破壞。通過對其進行半圓拱形支護后，可以看出巷道圍巖的塑性區影響范圍明顯變小。

圖4 巷道圍巖塑性分布

4.3 巷道圍巖位移變化

在對巷道底板位移監測的過程中，得到以下數據，巷道頂板有16.2 mm 的下沉量，16.1 mm的底鼓量，頂底板32.3 mm 的移近量。而對巷道兩幫位移監測的數據中顯示，左幫31.6 mm 的移近量，右幫32.6 mm 的移近量，共64.2 mm 的移近量。由此認為在巷道兩側受垂直應力的過程中，位移會相對較大，需要優化并加強支護，減小垂直應力影響以保證巷道能夠穩定。

5 應用效果

根據對巷道圍巖應力分布情況以及穩定性的研究，在使用半圓拱形和強幫支護后，在采動影響下，巷道掘進初期，巷道表面的位移量在滯后測點30 m 時變化較大，在接近測點時，巷道頂板的位移量為9 mm，收斂速率和頂板移近速率分別為1.8 mm/d、1.64 mm/d；巷道繼續向前掘進時，在超前測點60 m 時，巷道表面位移量增大，但整體變化不大，趨向穩定，巷道頂板的位移量為25 mm，收斂量和兩幫移近量分別為15.5 mm、31.0 mm。這說明，沒有使用強幫支護的巷道頂板出現持續下沉、噴層、鋼筋梯子梁壓彎等現象；使用半圓拱形和強幫支護后，巷道頂底板和兩幫的位移量變化都較小，巷道圍巖表面位移收斂，沒有出現變形，在后續的開采過程中逐漸達到穩定狀態。

6 結論

根據煤峪口礦煤層的實際情況，建立UDEC數值模型，分析12#煤層采空區對14#煤層巷道圍巖的影響，得到巷道圍巖的應力分布規律，在FLAC3D中分析巷道圍巖的應力分布、塑性區分布以及位移的變化，結果如下：

1）數值模擬結果表明：12#煤層采空區對14#煤層的影響劇烈的范圍為10 m，最大垂直應力達到12.8 MPa，剪切應力最大達到3.76 MPa。

2）使用半圓拱形支護后，巷道頂板有16.2 mm的下沉量，16.1 mm 的底鼓量，頂底板32.3 mm 的移近量，左幫31.6 mm 的移近量，右幫32.6 mm 的移近量，共64.2 mm 的移近量，基本實現了對巷道的穩定性控制。

3）通過現場的監測表明：進行巷道強幫支護后，上層12#煤層開采對下層14#煤層巷道的影響在巷道前30 d 距測點30 m 范圍內，位移量變化相對較大，收斂速率和頂板移近速率分別為1.8 mm/d、1.64 mm/d；在巷道掘進30～60 d 超前測點60 m時，位移量逐步穩定，收斂量和兩幫移近量分別為15.5 mm、31.0 mm，巷道圍巖表面沒有出現變形，在后續開采過程中逐漸達到穩定狀態。