大淑村礦工作面回采巷道變形規(guī)律研究

趙俊生，張 琪，聶百勝，李祥春

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

煤炭資源是我國資源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在我國能源結(jié)構(gòu)中占很大比例。目前，我國煤炭資源多采用井工開采方式，回采巷道絕大多數(shù)布置在煤層中，巷道圍巖強(qiáng)度較低，由于回采工作面開采活動的影響，巷道圍巖破碎嚴(yán)重，變形明顯，嚴(yán)重影響了礦井運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等方面的高效安全[1]。

巷道圍巖變形實(shí)質(zhì)上是受外界作用力影響引起巷道圍巖尺寸、形狀改變，從而產(chǎn)生一系列支護(hù)和生產(chǎn)方面的問題[2]。為了解決回采巷道圍巖變形失穩(wěn)問題，許多專家學(xué)者對此展開了研究。KASTNER通過把摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則和經(jīng)典彈塑性力學(xué)理論相結(jié)合，并假設(shè)巖石碎脹系數(shù)為0，推導(dǎo)出了經(jīng)典的Kastner公式，認(rèn)為在雙向等壓條件下圓形巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)為圓形[3]。趙志強(qiáng)等[4]則以Kastner公式為理論基礎(chǔ)，建立了雙向非等壓條件下圓形巷道圍巖變形規(guī)律公式，認(rèn)為該條件下巷道圍巖產(chǎn)生類似于蝴蝶的蝶形塑性區(qū)。王成等[5]認(rèn)為巷道圍巖在其采動應(yīng)力作用下具有明顯變形破壞特征，并表現(xiàn)出明顯的階段性和分區(qū)破壞特征。陳登紅等[6]針對高水平應(yīng)力賦存條件工作面回采巷道認(rèn)為隨著埋深、回采動壓的增加，巷道圍巖徑向應(yīng)變將經(jīng)歷“淺部拉伸到深部零應(yīng)變”到“拉壓交替分布”再到“非線性大應(yīng)變”的變形過程。袁越等[7]針對回采巷道圍巖變形問題，建立了動壓條件下圓形巷道力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了巷道圍巖的變形破壞邊界公式。

針對巷道圍巖變形規(guī)律研究雖然取得了一定成果，但大多數(shù)研究成果基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行理論分析，并未結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行分析。本文以冀中能源峰峰集團(tuán)大淑村礦工作面煤體為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，理論分析礦山壓力等環(huán)境因素對工作面回采巷道圍巖變形的影響，揭示了礦山壓力等環(huán)境因素對工作面回采巷道的影響機(jī)制，同時(shí)通過軸向壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了礦山壓力對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制，對研究工作面巷道圍巖變形規(guī)律具有重要的參考價(jià)值和良好的工程應(yīng)用前景。

1 工程背景

冀中能源峰峰集團(tuán)大淑村礦位于河北省邢臺市武安市，井田走向長7 km，傾斜寬2.5 km，面積約14.5 km2。該礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，一般厚5.5 m，局部煤層厚度略有變化，略有夾矸。本文以大淑礦2號煤層172104工作面巷道圍巖為研究背景，172104工作面南起F9(H=120 m)區(qū)域大斷層，北至SF11(H=18 m)斷層，工作面走向長452.5～605.5 m，平均走向長529 m，傾向長127.8 m，面積67 606.2 m2，平均煤層厚度5.4 m。該煤層工作面煤質(zhì)較為松軟，巷道頂板下沉和煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道斷面收縮嚴(yán)重，巷道圍巖變形嚴(yán)重。工作面回采巷道變形實(shí)測圖如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形實(shí)測圖Fig.1 Surrounding rock deformation of roadway

2 工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律監(jiān)測

2.1 工作面測點(diǎn)布置及方法

大淑村礦2號煤層工作面回采巷道圍巖變形明顯，工作面掘進(jìn)期間往往需要擴(kuò)幫臥底；工作面回采期間，距離工作面一定范圍內(nèi)，頂?shù)装?、巷幫變形量大，且變形速度很快，一定范圍之外，變形量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。因此，選取距離工作面100 m范圍作為重點(diǎn)觀察區(qū)域，每隔10 m布置一個(gè)測點(diǎn)，每天測量一次巷道高度、寬度變化情況；距離工作面100～300 m范圍，每隔20 m布置一個(gè)測點(diǎn)，每5天測量一次巷道高度、寬度變化情況；距離工作面300 m之外，每隔50 m布置一個(gè)測點(diǎn)，每10天測量一次巷道高度、寬度變化情況。

隨著工作面推進(jìn)，原來處于100～300 m范圍的測點(diǎn)會成為100 m以內(nèi)測點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)入100 m范圍后，無需新增測點(diǎn)，而是將該測點(diǎn)測量周期調(diào)整至每天測量1次，以此類推，直至工作面回采結(jié)束。當(dāng)遇到臥底或擴(kuò)幫作業(yè)后，測點(diǎn)相應(yīng)數(shù)據(jù)重新測量，作為30 m擴(kuò)幫區(qū)域圍巖流變特性分析數(shù)據(jù)。172104工作面回采工作剛剛開始，測點(diǎn)布置如圖2所示。100 m以內(nèi)每隔10 m布置1個(gè)測點(diǎn)；100～300 m每隔20 m布置1個(gè)測點(diǎn)；300 m之外每隔50 m布置1個(gè)測點(diǎn)。

圖2 172104工作面測點(diǎn)布置圖Fig.2 The 172104 working face measuring point layout

172104工作面回采巷道斷面形狀基本呈矩形形狀，因此，針對斷面設(shè)計(jì)測量點(diǎn)，測點(diǎn)基本覆蓋全斷面。同時(shí)，由于進(jìn)風(fēng)巷(皮帶)存在一條運(yùn)煤皮帶，占據(jù)巷道寬度2/3位置，檢修班經(jīng)常開動皮帶檢修，造成皮帶巷難以得到完整數(shù)據(jù)?；仫L(fēng)巷道人為擾動較少，斷面測量較為可行。選擇寬度方向3個(gè)點(diǎn)測量高度、高度方向3個(gè)點(diǎn)測量寬度，保證數(shù)據(jù)具有代表性，具體如圖3所示。圖3中2#、6#、13#為工作面回風(fēng)巷道測點(diǎn)，A-B間距為靠近頂板的兩幫間距，C-D間距為兩幫的中心距，E-F間距為靠近底板側(cè)兩幫間距；1-4間距為靠近回采工作面煤壁頂?shù)装彘g距，2-5間距為頂?shù)装逯行木啵?-6間距為靠近工作面外幫的頂?shù)装彘g距(受版面限制，本文僅選取巷道中心對稱監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù))。

圖3 回采巷道斷面測點(diǎn)圖Fig.3 Measuring point of mining roadway section

2.2 工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律

工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律的研究對于探究大淑村礦煤巖特性、指導(dǎo)工作面回采巷道擴(kuò)幫臥底、支護(hù)以及煤與瓦斯突出預(yù)防等都具有重要意義。為了研究大淑村礦工作面煤體流變特性規(guī)律，通過對172104工作面回風(fēng)巷道斷面變形規(guī)律的現(xiàn)場監(jiān)測并進(jìn)行分析，現(xiàn)場連續(xù)實(shí)測工作面煤體對稱測點(diǎn)形變數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可以看出，172104回風(fēng)巷道斷面上各對稱測點(diǎn)的距離隨著時(shí)間的推移呈逐漸減小趨勢，距離工作面較近的巷道斷面上對稱測點(diǎn)的距離減小的越快，曲線下降斜率較大，表明距離工作面較近的巷道形變量較大；而離工作面較遠(yuǎn)的斷面，形變曲線下降趨勢較平穩(wěn)，巷道對稱測點(diǎn)距離減小量較小且均勻變化?？傮w來講，距離回采工作面越近，回采巷道受采動應(yīng)力場和原巖應(yīng)力場疊加作用越明顯，礦山壓力顯現(xiàn)比較明顯，巷道斷面形變量比較大。

另外，監(jiān)測期間內(nèi)，回采巷道斷面累積最大形變量為1.015 m，最小形變量為0.127 m；相同時(shí)間內(nèi)同一斷面不同測點(diǎn)的變化量也不一樣，從13#測點(diǎn)縱斷面上各測點(diǎn)的距離變化曲線可以推斷距離工作面較近距離會有一些較大的波動。由于巷道受到原巖應(yīng)力和采動擾動應(yīng)力的影響，巷道圍巖受到擠壓變形，各測點(diǎn)的距離就會越來越近，根據(jù)支撐梁理論測點(diǎn)3-4和測點(diǎn)C-D分別位于縱斷面和橫斷面的中間，因此受到的擠壓作用力大，變形量也就越大。而縱斷面距離工作面較近時(shí)，由于巷道變形對礦井生產(chǎn)、行人安全等影響較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行臥底和巷道支護(hù)。

煤體長期受采動作用影響，將會產(chǎn)生不同程度上的變形、破壞及損傷[8]，距離工作面不同位置煤體形變量具有很大的不同，為了研究工作面釆動作用對于巷道變形的影響規(guī)律，選取與距離工作面不同的2#測點(diǎn)、5#測點(diǎn)、9#測點(diǎn)、13#測點(diǎn)從橫縱兩個(gè)斷面進(jìn)行形變量對比分析，圖5為4個(gè)不同斷面橫向、縱向形變量隨工作面推進(jìn)過程的變化曲線。

圖4 回采巷道對稱測點(diǎn)形變實(shí)測圖Fig.4 Measured deformation of symmetric measuring points in mining roadway

圖5 巷道不同斷面測點(diǎn)的變形量隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Deformation curves of different sections of roadway with time

由圖5可以看出，隨著時(shí)間的增加，橫縱斷面各對稱測點(diǎn)距離累積變化量總體上呈增大趨勢。由圖5(a)可以看出，隨著時(shí)間變化各個(gè)時(shí)間點(diǎn)基本上變形量13#測點(diǎn)>9#測點(diǎn)>5#測點(diǎn)>2#測點(diǎn)，主要是由于任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)距工作面的距離依次為13#測點(diǎn)<9#測點(diǎn)<5#測點(diǎn)<2#測點(diǎn)，距離工作面越近，受采動擾動的影響越大；從時(shí)間上也可以看出，隨著時(shí)間推移任何一個(gè)測點(diǎn)距工作面的距離也越來越近，受采動擾動影響就越大，表現(xiàn)在圖上就是隨著時(shí)間的增加，y軸變形量也越來越大。圖5(b)也基本上印證了這個(gè)結(jié)果。圖上橫斷面最大變形量為13#測點(diǎn)的1.050 m，最小形變量為2#測點(diǎn)的0.296 m；縱斷面的最大變形量為13#測點(diǎn)的0.858 m，最小形變量為2#測點(diǎn)的0.309 m。

根據(jù)工作面支撐應(yīng)力曲線理論可知，隨著工作面推進(jìn)，導(dǎo)致煤層頂板應(yīng)力向工作面前方移動，使距離工作面較近的巷道斷面承受更大的頂板壓力。同時(shí)在釆動擾動過程中，工作面前方煤體裂隙產(chǎn)生與擴(kuò)展，在頂板壓力作用下，巷道靠近工作面一側(cè)形變量增大，片幫現(xiàn)象突出，這兩種因素綜合作用，使離工作面較近的巷道斷面形變量較大。表現(xiàn)出距離工作面10 m測點(diǎn)斷面變形量明顯大于距離250 m測點(diǎn)斷面變形量。

3 巷道圍巖變形規(guī)律影響因素分析

3.1 周期來壓對巷道圍巖變形規(guī)律的影響

工作面回采工作開始之后，工作面后方形成采空區(qū)，隨著回采工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層頂板懸露跨距不斷增。當(dāng)基本頂懸露達(dá)到極限跨距時(shí)，基本頂斷裂從而導(dǎo)致工作面采空區(qū)上覆巖層急劇下沉，工作面支架呈現(xiàn)受力急劇增大的現(xiàn)象，稱為基本頂?shù)某醮蝸韷??；卷敵醮蝸韷褐螅夭晒ぷ髅胬^續(xù)向前推進(jìn)，頂板再一次斷裂造成采場支架承受巨大壓力。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層會經(jīng)歷“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的周而復(fù)始的變化過程，這種周而復(fù)始的變化使得工作面呈現(xiàn)周期性變化的周期來壓[9-10]。一般來說，煤巖體的流變性質(zhì)隨時(shí)間的不斷變化呈現(xiàn)出不同形式的增大現(xiàn)象，因此，工作面煤巖體的變形失穩(wěn)甚至破壞是一個(gè)時(shí)間與空間的動態(tài)發(fā)展過程[4,11]。而煤巖體的流變性質(zhì)受到礦山壓力顯現(xiàn)的明顯作用，周期來壓等礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象將造成煤巖體長時(shí)間持續(xù)變形，導(dǎo)致煤巖體產(chǎn)生嚴(yán)重的大變形和破壞失穩(wěn)。

為此，選取離工作面較近的巷道斷面作為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測巷道形變量與工作面礦山壓力數(shù)據(jù)，研究分析近工作面斷面形變與礦壓變化之間的相互關(guān)系。圖6為回采巷道測點(diǎn)的煤體變形量與支架礦山壓力隨時(shí)間變化曲線。

由圖6可以看出，支架礦山壓力隨著時(shí)間呈周期性變化，即周期來壓，在3月27日和4月26日礦山壓力達(dá)到最大值。由圖6可知，周期來壓時(shí)間為9 d左右，最大礦壓為28.5 MPa左右，且巷道變形率全部為正值，巷道變形量隨時(shí)間的延長而逐漸增大。在3月26日左右，即測試時(shí)間5 d左右時(shí)，礦山壓力即將達(dá)到峰值，巷道變形率也隨之達(dá)到峰值，表明此時(shí)巷道變形受周期來壓影響變形速度達(dá)到最大，變形情況最為嚴(yán)重。在4月5日左右，工作面迎來第二次周期來壓，此時(shí)巷道變形速度與之前相同，巷道變形速度最快，變形情況最為嚴(yán)重。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，測點(diǎn)距離工作面越近，巷道圍巖受采動影響也越為明顯，巷道變形速度持續(xù)增加，巷道變形量持續(xù)增大。

圖6 測點(diǎn)的變形量和變形率與周期來壓隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Deformation and deformation rate and periodic pressure curves of measuring points with time

3.2 巷道圍巖變形力學(xué)影響機(jī)制分析

本文采用的煤樣是取自大淑村礦，在實(shí)驗(yàn)室將其制作成直徑50 mm和長度100 mm的圓柱形型煤，成型壓力在100～120 MPa之間，使得制成的型煤的力學(xué)性質(zhì)和原煤相近。利用TensonTest程序微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對該煤礦型煤進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。通過對煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，煤樣在0.2 mm/min的勻速加載條件下進(jìn)行加載。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到單軸壓縮條件的不含瓦斯煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。

圖7 大淑村礦煤體應(yīng)力-應(yīng)變測試曲線Fig.7 Stress-strain curve of coal mass inDashucun coal mine

煤樣在軸向力的作用下，其變形率逐漸增大，且煤樣在軸向應(yīng)力達(dá)到4～5 MPa時(shí)出現(xiàn)破碎情況。在軸壓保持一定的情況下，煤巖的抗壓強(qiáng)度和彈性極限會隨著圍壓的增大而增大，這是由于在圍壓的約束下煤巖的容積擴(kuò)大很困難，因此需要更大的軸壓。由于煤樣是孔隙結(jié)構(gòu)材料，在恒定軸壓的作用下，圍壓的增大加強(qiáng)了煤巖內(nèi)部孔隙的閉合，因此煤巖的彈性模量會增大。在煤巖進(jìn)入第三階段即塑性變形階段，隨著圍壓的增大，煤樣的強(qiáng)度也會增大，而煤樣的軸向應(yīng)變也會增大，可能是在這階段，煤樣的內(nèi)部產(chǎn)生了新孔隙和裂隙并且開始大量的發(fā)育，而在軸向逐漸增大到煤樣的屈服極限時(shí)，煤樣內(nèi)部的裂紋開始連通形成大的裂隙。圍壓越大，煤樣內(nèi)部的孔隙裂隙被壓縮的越緊密，煤樣的煤粒之間的摩擦力大，增大了煤樣的力學(xué)特性。因此，當(dāng)?shù)V山壓力變大時(shí)而逐漸達(dá)到煤體的屈服極限時(shí)，巷道圍巖變形量也逐漸增大，圍巖變形嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

1) 大淑村礦巷道圍巖變形明顯，設(shè)置不同位置測點(diǎn)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装寮皟蓭椭行木嘧冃瘟孔畲?，圍巖受疊加應(yīng)力場的影響變形破壞最為嚴(yán)重。

2) 回采巷道圍巖變形量受采動擾動影響極為明顯，回采工作面不同位置巷道圍巖變形量不同，距離回采工作面越近，巷道煤體圍巖形變量越大，反之，圍巖變形量較小。

3) 巷道圍巖變形量受周期來壓影響明顯，周期來壓達(dá)到峰值時(shí)，圍巖變形速度最快，隨著時(shí)間的推進(jìn)，巷道圍巖變形量逐漸增大；礦山壓力會改變煤體的力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)?shù)V山壓力逐漸達(dá)到煤體的屈服極限時(shí)，圍巖變形量也逐漸增大，圍巖變形嚴(yán)重。