采動(dòng)作用影響下巷道圍巖破壞特征模擬研究?

張大章

(中鐵四院集團(tuán)新型軌道交通設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

巷道圍巖控制與井下的安全生產(chǎn)緊密相關(guān)，是煤炭安全生產(chǎn)建設(shè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[1].多條大巷平行布置的情況下，通過(guò)改變巷道布置方式或改變開(kāi)采順序等措施來(lái)保持巷道的穩(wěn)定[2?4].目前，煤礦通常采用優(yōu)化巷道設(shè)計(jì)、卸壓和加強(qiáng)支護(hù)等措施，主要通過(guò)改善圍巖的應(yīng)力、性質(zhì)和支護(hù)這3個(gè)因素來(lái)對(duì)大巷圍巖進(jìn)行控制[5,6].工作面開(kāi)采改變了巷道周圍的應(yīng)力分布，使得巷道圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)巷道周圍應(yīng)力超過(guò)巷道圍巖的強(qiáng)度極限時(shí)，巷道極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，對(duì)煤礦的正常安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[7?9].所以，有必要研究停采線位置引起的巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)形態(tài)改變，以保證巷道的穩(wěn)定.

1 工程概況

1.1 煤層賦存概況

神角煤業(yè)現(xiàn)主采2#煤層，位于山西組中部，全區(qū)穩(wěn)定可采，上距1號(hào)煤層0.71～9.96 m，平均3.99 m，煤厚2.15～3.83 m，平均3.00 m.本煤層內(nèi)含1～3層夾矸，其中夾矸成份為炭質(zhì)泥巖或泥巖，煤層結(jié)構(gòu)總體較簡(jiǎn)單.2號(hào)煤層頂板多為灰黑色的粉砂巖，巖性致密、性脆、膠結(jié)較好，單向抗壓強(qiáng)度36.7～51.4 MPa，單向抗拉強(qiáng)度1.34～1.98 MPa，抗剪強(qiáng)度3.85～6.15 MPa.煤層底板多為灰黑色的泥巖，多呈塊狀，巖性脆，單向抗壓強(qiáng)度36.7～58.1 MPa，單向抗拉強(qiáng)度1.34～1.98 MPa，抗剪強(qiáng)度3.85～6.15 MPa，遇水時(shí)巖石力學(xué)參數(shù)降低，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，但整體隔水性能好.

1.2 大巷地質(zhì)條件介紹分析

神角礦2#煤層北采區(qū)有三條大巷：北軌道運(yùn)輸巷、北回風(fēng)巷和北膠帶運(yùn)輸巷.2#煤層北采區(qū)地面標(biāo)高為+1 347 m～+1 620 m，井下標(biāo)高為+970 m～+1 020 m，地表為山地，無(wú)地表水、村莊、建筑物和鐵路等.北軌道運(yùn)輸巷東為北膠帶運(yùn)輸巷，西為北回風(fēng)巷，兩側(cè)各相隔60 m保安煤柱.北軌道運(yùn)輸巷總長(zhǎng)為1 300 m，北膠帶運(yùn)輸巷總長(zhǎng)為1 360 m，北回風(fēng)巷總長(zhǎng)為1 300 m，巷道布置如圖1所示.

圖1 煤層大巷布置示意圖Fig 1 Layout schematic of coal seam roadways

北采區(qū)北回風(fēng)巷、北軌道運(yùn)輸巷和北膠帶運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道凈斷面11.2 m2，凈寬4.0 m，凈高2.8 m，大巷頂、底板巖石情況如表1所示.

表1 大巷頂?shù)装迩闆rTab 1 Conditions of the roadway roof and floor

神角礦當(dāng)前回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)在受2311和2302兩個(gè)回采工作面疊加的采動(dòng)影響，北膠帶運(yùn)輸巷、北軌道運(yùn)輸巷和北回風(fēng)巷三條大巷靠近井田邊界均有近200 m的嚴(yán)重變形段，部分區(qū)域大巷頂板下沉量超過(guò)500 mm，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)的同時(shí)，存在較大的安全隱患（圖2）.

因此，本文以神角礦為工程背景，在2#煤層大巷破壞形態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以控制巷道圍巖塑性區(qū)形成和發(fā)展為目的，綜合分析了雙側(cè)大巷位于工作面前方不同距離對(duì)巷道塑性區(qū)分布的影響，得到了合理的停采線位置，為臨近工作面停采線留設(shè)提供依據(jù).

2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)探測(cè)

2.1 巷道頂板鉆孔窺視

為了解神角礦2#煤層大巷頂板巖性、巖層厚度、分層以及受2311工作面采動(dòng)影響下頂板圍巖裂隙的變化情況，進(jìn)行頂板鉆孔窺視.根據(jù)對(duì)目標(biāo)巷道的研究?jī)?nèi)容及神角礦的實(shí)際生產(chǎn)情況，于2311工作面停采4個(gè)月后，在北軌道運(yùn)輸巷頂板布置鉆孔，此時(shí)，2302工作面距離北軌道運(yùn)輸巷450 m左右.在目標(biāo)巷道布置3個(gè)頂板窺視測(cè)點(diǎn)，鉆孔直徑40 mm，孔深8 m，每?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)間隔50 m.

2.2 頂板鉆孔窺視結(jié)果分析

現(xiàn)對(duì)北軌道運(yùn)輸巷3個(gè)窺視點(diǎn)的窺視視頻進(jìn)行整理，并畫出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的頂板窺視柱狀圖，具體見(jiàn)圖3～圖5.

圖3 北軌道運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)1頂板窺視柱狀圖Fig 3 The north rail transit lane measuring point 1 roof peep bar chart

圖4 北軌道運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)2頂板窺視柱狀圖Fig 4 The north rail transit lane measuring point 2 roof peep bar chart

由頂板窺視圖可以看出，神角礦2#煤層北采區(qū)大巷頂板主要以粉砂巖和砂巖為主，部分位置出現(xiàn)細(xì)小煤線.頂板淺部完整性較差，離層現(xiàn)象嚴(yán)重，部分區(qū)域裂隙和破碎帶分布明顯，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，頂板深部完整性較好.

圖5 北軌道運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)3頂板窺視柱狀圖Fig 5 The north rail transit lane measuring point 3 roof peep bar chart

3 神角礦采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布特征研究

工作面回采過(guò)程中會(huì)在其后方產(chǎn)生采空區(qū)，采空區(qū)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致原本煤巖體的應(yīng)力向工作面前方轉(zhuǎn)移，并與前方煤巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)相疊加，從而改變?cè)久簬r體的應(yīng)力狀態(tài)[10?13].受開(kāi)采方式、頂板巖層結(jié)構(gòu)和距離等因素影響會(huì)形成復(fù)雜的應(yīng)力變化，工作面前方一定區(qū)域范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)大巷因?yàn)楣ぷ髅嫱２删€位置不合適而處在應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，極易因?yàn)楫a(chǎn)生的集中應(yīng)力超過(guò)了圍巖能夠承受的極限而導(dǎo)致塑性區(qū)的產(chǎn)生[14?16].

3.1 采動(dòng)影響下巷道周圍應(yīng)力變化

根據(jù)神角礦北采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況：工作面長(zhǎng)度200 m，對(duì)向開(kāi)采，中間北軌道運(yùn)輸巷距左右兩條巷道各60 m，設(shè)計(jì)模型大小為：長(zhǎng)×寬×高=800 m×300 m×100 m，巷道不開(kāi)挖.開(kāi)挖2311工作面后再開(kāi)挖2302工作面，然后提取y=100 m和y=150 m這兩種情況下2311工作面前方240 m區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力.將這兩組模擬實(shí)驗(yàn)提取的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的大小和比值與原始狀態(tài)即工作面不開(kāi)挖的情況下進(jìn)行比較，待測(cè)區(qū)域原始應(yīng)力情況如圖6所示.

圖6 待測(cè)區(qū)域原始應(yīng)力情況Fig 6 The original stress pattern in the area to be tested

如圖7所示，模擬原始的應(yīng)力狀態(tài)，開(kāi)挖2302工作面和2311工作面，模型達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，分別提取y=100 m（工作面正前方一側(cè)50 m）和y=150 m（工作面正前方）兩種情況下，工作面前方10～240 m范圍內(nèi)圍巖的主應(yīng)力情況.

圖7 雙側(cè)工作面采動(dòng)下應(yīng)力提取示意圖Fig 7 Schematic diagram of stress extraction under bilateral mining

對(duì)提取的最大、最小主應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析處理，將最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的大小、比值及主應(yīng)力角度變化趨勢(shì)繪制成圖，結(jié)果如圖8、圖9所示.

圖8 雙側(cè)采動(dòng)下y=100 m工作面前方應(yīng)力情況Fig 8 Stress of the front face in y=100 m under bilateral mining

圖9 雙側(cè)采動(dòng)下y=150 m工作面前方應(yīng)力情況Fig 9 Stress of the front face in y=150 m under bilateral mining

受工作面采動(dòng)影響，工作面前方一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且伴隨著應(yīng)力比值系數(shù)和主應(yīng)力角度的改變：距離工作面一定區(qū)域內(nèi)，與工作面之間距離相同時(shí)，工作面正前方的最大、最小主應(yīng)力明顯大于工作面正前方一側(cè)50 m處的對(duì)應(yīng)最大、最小主應(yīng)力；開(kāi)挖2311和2302兩個(gè)工作面時(shí)，在工作面前方10～240 m范圍內(nèi)，應(yīng)力角度變化整體呈中心對(duì)稱，前80 m內(nèi)，主應(yīng)力與Z軸夾角減小趨勢(shì)明顯，此后，80～160 m范圍內(nèi)，主應(yīng)力與Z軸夾角基本保持不變，160 m之后，隨著距工作面距離繼續(xù)增加，主應(yīng)力角度急劇減小.

4 北采區(qū)大巷圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律與破壞特征

4.1 雙側(cè)大巷位于工作面前方不同距離下巷道塑性區(qū)演化與應(yīng)力分布特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)60 m巷間保護(hù)煤柱，分別模擬計(jì)算兩側(cè)大巷位于工作面前方40 m、60 m、80 m、100 m和120 m這5種情況下的應(yīng)力分布及大巷塑性區(qū)分布情況，為合理停采線的確定提供依據(jù).

圖10 數(shù)值模擬模型示意圖Fig 10 Numerical simulation model

圖11 巷道開(kāi)挖后塑性區(qū)分布Fig 11 The plastic zone distribution after excavation

模型大小為：長(zhǎng)×寬×高=800 m×300 m×100 m，大巷初始的設(shè)計(jì)參數(shù)為4 000 mm×2 800 mm，巷道附近的網(wǎng)格劃分為0.2 m.三條巷道Y 方向開(kāi)挖范圍為0～300 m，工作面Y 方向開(kāi)挖范圍為50～250 m（實(shí)際工作面長(zhǎng)度為200 m），模擬結(jié)果如圖10、圖11所示.巷道開(kāi)挖后三條巷道塑性區(qū)形態(tài)基本一致，頂板最大破壞深度為0.6 m，底板最大破壞深度為0.8 m，兩幫最大破壞深度為1.2 m.

圖12～圖16依次為雙側(cè)大巷位于工作面前方40 m、60 m、80 m、100 m和120 m這5種距離下，對(duì)應(yīng)的巷道塑性區(qū)及周圍應(yīng)力分布情況，其中，圖a為巷道周圍應(yīng)力分布，圖b為巷道塑性區(qū)分布（網(wǎng)格大小為0.2 m）.

圖12 雙側(cè)大巷位于工作面前方40 m巷道塑性區(qū)及周圍應(yīng)力分布Fig 12 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 40 m

圖13 雙側(cè)大巷位于工作面前方60 m巷道塑性區(qū)及周圍應(yīng)力分布Fig 13 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 60 m

圖14 雙側(cè)大巷位于工作面前方80 m巷道塑性區(qū)及周圍應(yīng)力分布Fig 14 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 80 m

圖15 雙側(cè)大巷位于工作面前方100 m巷道塑性區(qū)及周圍應(yīng)力分布Fig 15 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 100 m

圖16 雙側(cè)大巷位于工作面前方120 m巷道塑性區(qū)及周圍應(yīng)力分布Fig 16 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 120 m

將大巷位于工作面前方不同距離的巷道塑性區(qū)進(jìn)行綜合分析，具體情況見(jiàn)圖17～圖19.

圖17 雙側(cè)大巷位于工作面前方不同距離下巷道頂板最大破壞深度變化曲線圖Fig 17 The graph of the maximum damage depth of roadway roof at different distances in front of the working face

圖18 雙側(cè)大巷位于工作面前方不同距離下巷道底板最大破壞深度變化曲線圖Fig 18 The graph of the maximum damage depth of roadway floor at different distances in front of the working face

圖19 雙側(cè)大巷位于工作面前方不同距離下巷道煤幫最大破壞深度變化曲線圖Fig 19 The graph of the maximum damage depth of roadway coal buttock at different distances in front of the working face

由圖17結(jié)合前文巷道塑性區(qū)及應(yīng)力分布圖可知：北回風(fēng)巷在雙側(cè)大巷位于工作面前方的距離從40 m至80 m的變化過(guò)程中，巷道所處位置逐漸從應(yīng)力提升區(qū)向原巖應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，圍巖附近應(yīng)力明顯降低.在此過(guò)程中，頂板塑性區(qū)最大破壞深度發(fā)生非常明顯的變化，從2.4 m急劇減少到1.6 m，距離為80 m時(shí)，頂板最大破壞深度減小到1.2 m，而且頂板塑性區(qū)寬度也發(fā)生明顯減小.距離從80 m至120 m的變化過(guò)程中，巷道所處位置應(yīng)力變化不明顯，基本屬于同一梯度范圍.距離為100 m時(shí)，巷道頂板最大破壞深度減小到1.0 m，隨著距離增大，頂板塑性區(qū)最大破壞深度變化不明顯，基本保持1.0 m不變.北軌道運(yùn)輸巷的變化過(guò)程與北回風(fēng)巷相似，距離從40 m至80 m的變化過(guò)程中，頂板塑性區(qū)最大破壞深度發(fā)生相對(duì)明顯變化，從1.2 m逐漸減小到0.8 m，頂板塑性區(qū)范圍也發(fā)生相對(duì)明顯變化，特別是巷道中軸線附近頂板塑性區(qū)范圍明顯減小.距離從80 m至120 m的變化過(guò)程中，頂板塑性區(qū)最大破壞深度變化不明顯，基本保持0.8 m不變.

由圖18結(jié)合前文巷道塑性區(qū)及應(yīng)力分布圖可知：北回風(fēng)巷在雙側(cè)大巷位于工作面前方的距離從40 m至80 m的變化過(guò)程中，巷道底板塑性區(qū)最大破壞深度發(fā)生非常明顯變化，從3 m急劇減小到2.2 m，距離為80 m時(shí)，底板最大破壞深度減小到1.4 m.距離從80 m至120 m的變化過(guò)程中，巷道底板塑性區(qū)最大破壞深度變化不明顯，從1.4 m減小到1.2 m.北軌道運(yùn)輸巷在距離從40 m至120 m的變化過(guò)程中，最大破壞深度的變化速率基本保持一致，從1.6 m逐漸減小到0.8 m，保持在相對(duì)較低的范圍.底板塑性區(qū)范圍發(fā)生相對(duì)明顯變化，特別是巷道中軸線附近底板塑性區(qū)范圍明顯減小.

由圖19結(jié)合前文巷道塑性區(qū)及應(yīng)力分布圖可知：北回風(fēng)巷在雙側(cè)大巷位于工作面前方的距離從40 m至80 m的變化過(guò)程中，巷道煤幫特別是靠近工作面一側(cè)煤幫塑性區(qū)最大破壞深度發(fā)生非常明顯的變化，從5 m急劇減小到2 m，距離為80 m時(shí)，煤幫最大破壞深度減小到1.4 m.距離從80 m至120 m的變化過(guò)程中，巷道煤幫塑性區(qū)最大破壞深度變化不明顯，基本保持1.4 m不變.而且，在40 m至120 m范圍內(nèi)，除了距離40 m時(shí)，巷道靠近工作面一側(cè)煤幫的塑性區(qū)范圍明顯超過(guò)對(duì)側(cè)煤幫塑性區(qū)，其余距離下巷道兩幫塑性區(qū)范圍基本一致.北軌道運(yùn)輸巷在距離從40 m至120 m的變化過(guò)程中，巷道煤幫基本保持不變，距離40 m時(shí)，塑性區(qū)最大破壞深度為1.4 m，60 m至120 m距離范圍，塑性區(qū)基本保持在1.2 m不變.整個(gè)過(guò)程中，巷道兩幫塑性區(qū)范圍基本一致.

5 結(jié)論

（1）神角礦2#煤層北采區(qū)受工作面采動(dòng)影響，工作面前方一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到原巖應(yīng)力的2～4倍，并且伴隨著應(yīng)力比值系數(shù)和主應(yīng)力角度的改變.工作面前方10～240 m范圍內(nèi)，隨著距離增大，應(yīng)力比值系數(shù)變化呈軸對(duì)稱，主應(yīng)力角度變化整體呈中心對(duì)稱.

（2）雙側(cè)大巷位于工作面前方的距離從40 m至80 m的變化過(guò)程中，巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)變化非常明顯，而距離從80 m至120 m的變化過(guò)程中，巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)變化不明顯或者基本保持不變.這表明40 m至80 m距離范圍內(nèi)，隨著距離的改變，工作面回采對(duì)巷道附近產(chǎn)生的應(yīng)力改變非常明顯，而80 m至120 m距離范圍內(nèi)，隨著距離的改變，應(yīng)力改變相對(duì)不明顯.而且在80 m距離位置下，以目前的支護(hù)形式能保證巷道塑性區(qū)安全可控，故初步確定神角礦2#煤層合理停采線位置為80 m.