水平應(yīng)力影響下深部近距離巷道圍巖穩(wěn)定性研究

代長春 馬 寧 楊 洋 程文武

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東省濟(jì)寧市，272069；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，地質(zhì)條件日益復(fù)雜，水平應(yīng)力常常大于垂直應(yīng)力，給深部巷道支護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。工程實踐表明，水平應(yīng)力對巷道圍巖影響具有明顯的方向性，與垂直應(yīng)力為最大主應(yīng)力的情況相比，巷道圍巖應(yīng)力分布及變形破壞存在明顯的差異性。因此，研究水平應(yīng)力對圍巖變形和巷道支護(hù)的影響，對于深部巷道圍巖控制和煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，許多學(xué)者對巷道受水平應(yīng)力影響的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究。楊本生等通過相似模擬試驗，研究了深井軟巖巷道受不同水平應(yīng)力時底板圍巖變形失穩(wěn)特征及圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)。張明建等通過相似模擬試驗，研究了錨網(wǎng)索噴+U型鋼支護(hù)巷道在不同水平應(yīng)力作用下巷道圍巖的變形和破壞特征。孫玉福利用數(shù)值模擬軟件，分析了不同巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角情況下巷道圍巖應(yīng)力分布與變形特征。綜上所述，專家學(xué)者采用相似模擬和數(shù)值分析等方法，在不同水平應(yīng)力影響下深部巷道支護(hù)機(jī)理和圍巖變形等方面進(jìn)行了較為深入的研究，取得了豐富的研究結(jié)果。但對近距離復(fù)雜開采條件水平應(yīng)力對巷道圍巖變形破壞影響的研究相對較少。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，考慮了濟(jì)寧三號煤礦的特殊開采地質(zhì)條件，以183下05工作面運輸平巷為研究對象，利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，建立未考慮水平應(yīng)力和考慮水平應(yīng)力三維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬對比分析，研究水平應(yīng)力對受近距離上部煤層采動影響的煤巷圍巖應(yīng)力分布及變形破壞影響規(guī)律，為同類條件巷道圍巖控制提供理論依據(jù)。

1 工程背景

圖1 183下05工作面平面布置圖(北部區(qū)域)

目前183下05運輸平巷已掘進(jìn)至183上06(北)采空區(qū)下方，掘進(jìn)頭位于183上06(北)工作面停采線北側(cè)約45 m處，剩余1040 m尚未掘進(jìn)，巷道向183上06(北)工作面采空區(qū)內(nèi)錯20 m。根據(jù)工作面開采設(shè)計，運輸平巷沿底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計為矩形斷面。巷道高3.8 m，寬4.8 m，平均埋深820 m。

2 數(shù)值模擬方法和模型的建立

2.1 FLAC3D數(shù)值模擬方案

本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行建模與賦參。模型尺寸1150 m(長)×600 m(寬)×110 m(高)，模型左右前后邊界施加水平約束，使邊界水平位移量為零；底部邊界固定，使底部邊界水平、垂直位移量均為零，采用摩爾—庫倫模型，三維數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計算模型

2.2 模擬及支護(hù)方案

2.2.1 模擬方案

依據(jù)濟(jì)寧三號煤礦十八采區(qū)地應(yīng)力測試報告，原巖應(yīng)力場最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其大小為30.82～35.41 MPa，方向為105.58°～118.77°，為垂直應(yīng)力的1.69～1.81倍，是最小水平主應(yīng)力的1.23～1.73倍。因此，在建立數(shù)值模型時，分為4種模擬方案：方案一，未考慮水平應(yīng)力、幫部無錨索；方案二，未考慮水平應(yīng)力、幫部加錨索；方案三，考慮水平應(yīng)力條件下、幫部無錨索；方案四，考慮水平應(yīng)力條件下、幫部加錨索。在煤層傾向方向(巷道兩幫側(cè))施加1.75倍垂直應(yīng)力的水平應(yīng)力，沿煤層走向(巷道延伸方向)施加1.2倍垂直應(yīng)力的水平應(yīng)力。模型模擬開采順序：先回采183上06工作面，然后掘進(jìn)并支護(hù)183下05運輸平巷，最后開采183上07工作面。

2.2.2 支護(hù)方案

183下05工作面運輸平巷北段設(shè)計為矩形巷道，沿煤層底板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)(鋼帶)支護(hù)，頂板錨桿直徑22 mm，長度2400 mm，設(shè)計錨固力不小于150 kN/根，錨桿排距為800 mm；幫部錨桿直徑22 mm，長度2200 mm，設(shè)計錨固力不小于100 kN/根，錨桿排距為800 mm。頂部錨索直徑22 mm，長度6000 mm，設(shè)計錨固力不小于180 kN/根，斷面錨索排距2400 mm。幫部錨索直徑22 mm，長度6000 mm，設(shè)計錨固力不小于180 kN/根，斷面錨索排距2400 mm，布置于靠近183上07工作面?zhèn)葞筒俊?/p>

3 183下05工作面膠順圍巖加固支護(hù)模擬分析

3.1 未考慮水平應(yīng)力巷道圍巖支護(hù)效果分析

3.1.1 方案一

按照“兩票制”相關(guān)規(guī)定，藥品批發(fā)企業(yè)開具的銷售發(fā)票項目要填寫齊全，《應(yīng)稅勞務(wù)清單》不被認(rèn)可。因發(fā)票“備注”欄空間有限，企業(yè)每張發(fā)票一般只能開具1至3個品種，發(fā)出的一批貨物一般需開具多張發(fā)票，空白發(fā)票本的使用量大幅增加。因稅務(wù)部門對空白發(fā)票本的領(lǐng)用量有一定限制，全面執(zhí)行“兩票制”后，有可能會造成企業(yè)空白發(fā)票短缺，發(fā)票無法隨貨同行，從而影響到企業(yè)正常的發(fā)貨。

方案一的支護(hù)效果如圖3所示。方案一的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，183下05工作面掘進(jìn)成巷后處于上煤層183上06(北)工作面采空區(qū)下，受上煤層采場支承壓力底板傳播應(yīng)力影響，尤其是183上07工作面開采期間，該工作面超前支承壓力與相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加，應(yīng)力集中程度較高，且靠近183下05工作面運輸平巷，此時，運輸平巷受集中支承壓力底板傳播應(yīng)力影響最大。由巷道兩幫水平和垂直位移云圖可知，幫部無錨索支護(hù)時，運輸平巷左右兩幫最大水平位移分別為150 mm和165 mm，頂板下沉量為25 mm，底板底鼓量為50 mm。

圖3 方案一巷道支護(hù)效果圖

圖4 方案一巷道水平位移云圖

圖5 方案一巷道垂直位移云圖

方案一的巷道塑性破壞區(qū)如圖6所示。由圖6可知，運輸平巷幫部塑性破壞形式以剪切破壞為主，局部微小區(qū)域存在張拉破壞，巷道底板形成規(guī)則的剪切破壞塑性區(qū)。位于運輸平巷上方的183上06(北)工作面采空區(qū)全部處于塑性破壞狀態(tài)。

圖6 方案一巷道塑性破壞區(qū)圖

綜上所述，未考慮水平應(yīng)力運輸平巷幫部無錨索支護(hù)時，受上煤層183上06(北)工作面采空區(qū)及183上07工作面采動影響，產(chǎn)生的應(yīng)力疊加效應(yīng)波及到運輸平巷。巷道左右兩幫最大水平位移均為150 mm，頂板下沉量為25 mm，底板底鼓量為50 mm，巷道塑性破壞形式以剪切破壞為主。

3.1.2 方案二

根據(jù)支護(hù)模擬方案，在靠近183上07工作面運輸平巷幫部布置錨索，如圖7所示。方案二的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，巷道左幫最大位移量為90 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?45 mm。與巷道幫部未加錨索相比，左幫最大位移量降低了40%，巷道變形量明顯減小；右?guī)臀醇渝^索，但變形量基本相等。由此可見，左幫加錨索后，控制了圍巖的塑性破碎狀態(tài)，使巷道的變形量大幅降低。運輸平巷左幫增加錨索后，巷道頂板下沉量為20 mm，底板底鼓量為50 mm，相對巷道幫部未加錨索，頂?shù)装逡平孔兓淮蟆Ｒ虼诉\輸平巷左幫加錨索后，有效控制了左幫附近的圍巖變形，但對巷道頂?shù)装逦串a(chǎn)生明顯的加固作用。

圖7 方案二巷道支護(hù)效果圖

圖8 方案二巷道水平位移云圖

圖9 方案二巷道垂直位移云圖

巷道幫部增加錨索后，圍巖塑性破壞仍以剪切破壞為主，局部微小區(qū)域出現(xiàn)張拉破壞。由于左幫增加了錨索，幫部圍巖體由原來松散的結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)橛谐休d能力相對完整的結(jié)構(gòu)體，錨索的錨固作用提高了左幫圍巖的承載能力和巷道穩(wěn)定性，所以左、右?guī)偷乃苄云茐膮^(qū)分布呈現(xiàn)出不對稱性，左幫的塑性破壞區(qū)范圍明顯小于右?guī)?，如圖10所示。

綜上所述，在183下05工作面運輸平巷靠近183上07工作面的幫部增加錨索后，與無錨索相比，左幫變形量減小了40%，而右?guī)妥冃瘟炕鞠嗟龋數(shù)装逡平孔兓淮?。由此可見，巷道幫部增加錨索后，錨索的錨固作用有效地提高了左幫圍巖體的承載能力，改善了巷道圍巖變形，縮小了巷道左幫的塑性破壞范圍，有利于維護(hù)巷道幫部的穩(wěn)定性，但對巷道頂?shù)装鍥]有明顯的改善。

圖10 方案二巷道塑性破壞區(qū)圖

3.2 考慮水平應(yīng)力圍巖支護(hù)效果分析

3.2.1 方案三

方案三的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，模型施加水平應(yīng)力后，左幫最大水平位移為395 mm，右?guī)妥畲笏轿灰茷?06 mm。與未考慮水平應(yīng)力相比，左幫水平位移變形量增加了163%，右?guī)退轿灰谱冃瘟吭黾恿?46%。由此可知，考慮水平應(yīng)力影響后，巷道幫部水平位移量明顯增大。水平應(yīng)力同樣對頂?shù)装逡平坑绊戯@著，頂板下沉量為240 mm，底板移近量為357 mm。與未考慮水平應(yīng)力相比，巷道頂?shù)装逡平棵黠@增大，頂板最大下沉量增加了860%，底板最大底鼓量增加了614%。

圖11 方案三巷道水平位移云圖

與未考慮水平應(yīng)力相比，運輸平巷圍巖塑性破壞區(qū)范圍顯著增大。在水平應(yīng)力的影響下，巷道的頂板產(chǎn)生了“倒梯形”大面積破壞，巷道的底板也產(chǎn)生了大面積的塑性破壞區(qū)，如圖13所示。右?guī)偷乃苄云茐拿娣e較左幫更大，頂?shù)装搴蛶筒康乃苄云茐囊约羟衅茐臑橹?。由此說明，在考慮水平應(yīng)力影響下，巷道圍巖變形和塑性破壞范圍顯著增大，使巷道的維護(hù)難度加大。

圖12 方案三巷道垂直位移云圖

圖13 方案三巷道塑性破壞區(qū)圖

綜上所述，考慮水平應(yīng)力幫部無錨索時，與未考慮水平應(yīng)力相比，左幫水平位移變形量增加了163%，右?guī)退轿灰谱冃瘟吭黾恿?46%，頂板最大下沉量增加了860%，底板最大底鼓量增加了614%，巷道圍巖變形量及塑性破壞范圍顯著增大，頂?shù)装逡平吭黾幼顬轱@著。這是由于水平應(yīng)力使巷道周圍的煤巖體產(chǎn)生了應(yīng)力集中，超出了煤巖體的承受極限，引發(fā)巷道變形和塑性破壞加劇，使巷道的維護(hù)難度進(jìn)一步加大。

3.2.2 方案四

方案四的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖14和圖15所示。由圖14和圖15可知，運輸平巷左幫增加錨索后，左幫最大位移量為300 mm，右?guī)妥畲笪灰屏繛?95 mm，巷道頂板下沉量為210 mm，底板底鼓量為350 mm。與考慮水平應(yīng)力幫部無錨索相比，左幫最大位移量減小了24%，右?guī)臀灰屏孔兓淮?；頂板下沉量減小了13%，底板底鼓量變化不大。與未考慮水平應(yīng)力幫部加錨索相比，左幫最大位移量增加了200%，右?guī)妥畲笪灰屏吭黾恿?72%，頂板變形量增加了950%，底板底鼓量增加了600%，巷道兩幫位移量和頂?shù)装逡平匡@著增大。

圖14 方案四巷道水平位移云圖

圖15 方案四巷道垂直位移云圖

巷道幫部加錨索后，巷道頂板產(chǎn)生了大范圍的塑性破壞區(qū)，但底板塑性區(qū)比頂板塑性區(qū)破壞范圍小。與考慮水平應(yīng)力幫部無錨索相比，巷道的左幫和底板塑性破壞范圍大幅減小，而巷道右?guī)秃晚敯逅苄云茐膮^(qū)變化不大，這是由于左幫施加了高預(yù)緊力的錨索，錨索產(chǎn)生的錨固作用，縮小了左幫和底板附近的圍巖破碎范圍。與未考慮水平應(yīng)力幫部加錨索相比，巷道左幫的塑性破壞范圍變化不大，但巷道頂?shù)装逡平亢陀規(guī)偷奈灰谱兓吭黾语@著，圍巖塑性破壞仍以剪切破壞為主，并在水平應(yīng)力作用下形成了大范圍的塑性破壞區(qū)，如圖16所示。

圖16 方案四巷道塑性破壞區(qū)圖

綜上所述，考慮水平應(yīng)力幫部加錨索時，與考慮水平應(yīng)力幫部無錨索相比，左幫最大位移量減小了24%，右?guī)臀灰屏孔兓淮?，頂板下沉量減小了13%，底板底鼓量變化不大。與未考慮水平應(yīng)力幫部加錨索相比，左幫最大位移量增加了200%，右?guī)妥畲笪灰屏吭黾恿?72%，頂板變形量增加了950%，變形量增加了600%，巷道的左幫和底板塑性破壞范圍大幅減小，而巷道右?guī)秃晚敯逅苄云茐膮^(qū)變化不大。

與未考慮水平應(yīng)力相比，考慮水平應(yīng)力的影響時，無論巷道左幫有無錨索支護(hù)，巷道左右?guī)筒孔冃瘟颗c頂?shù)装逡平烤@著增大，巷道圍巖穩(wěn)定性均有所降低，因此水平應(yīng)力對于巷道的穩(wěn)定性影響十分顯著。

4 結(jié)論

(1)未考慮水平應(yīng)力時，幫部加錨索支護(hù)與不加錨索相比，無錨索幫位移量和頂?shù)装逡平孔兓淮螅^索幫變形量和塑性破壞區(qū)范圍明顯減小，有利于維護(hù)運輸平巷幫部的穩(wěn)定性。

(2)考慮水平應(yīng)力幫部無錨索時，與未考慮水平應(yīng)力幫部無錨索相比，巷道兩幫變形量和頂?shù)装逡平考八苄云茐姆秶@著增大，頂?shù)装逡平吭黾幼顬轱@著?？紤]水平應(yīng)力幫部加錨索時，與幫部無錨索相比，錨索幫變形量和頂板移近量減小，無錨索幫和底板位移量變化不大；與未考慮水平應(yīng)力幫部加錨索相比，巷道的錨索幫和底板塑性破壞范圍大幅減小，而巷道無錨索幫和頂板塑性破壞區(qū)變化不大。

(3)與未考慮水平應(yīng)力相比，考慮水平應(yīng)力的影響時，無論巷道左幫有無錨索支護(hù)，巷道兩幫部變形量與頂?shù)装逡平烤@著增大，工作面巷道圍巖的穩(wěn)定性均有所降低，因此水平應(yīng)力對于巷道的穩(wěn)定性影響十分顯著。