深井沖擊地壓回采巷道圍巖變形破壞規(guī)律研究

焦 彪，賈金兌

(1.陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054 )

近年來，隨著煤炭資源需求增加，我國(guó)礦井開采深度也逐漸加深，目前正以每年8～12m的速度逐年加深，開始逐漸進(jìn)入深部開采階段[1，2]。受深部“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境影響[3]，深部礦井開采面臨著嚴(yán)重的巖石動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害，巖石動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害是發(fā)生在局部的突然性巖石動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，破壞性強(qiáng)，很難預(yù)測(cè)，因此沖擊地壓成為深部開采條件下最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。

由于深部力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)于深部沖擊地壓的研究目前還處于初級(jí)階段[4]，但也越來越受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視。趙志強(qiáng)等[5]以彈塑性力學(xué)中孔洞圍巖破壞平面應(yīng)變模型為基礎(chǔ)，建立了巷道圍巖破壞形態(tài)與非等壓區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)模型，認(rèn)為雙向非等壓條件下巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生類似于蝴蝶形狀的蝶形塑性區(qū)；陳上元等[6]采用地質(zhì)分析、物理相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了深部動(dòng)壓巷道復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制，提出了采動(dòng)應(yīng)力造成巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)大小和方向發(fā)生了改變，是引發(fā)巷道產(chǎn)生非對(duì)稱變形的主要因素。針對(duì)深部巷道圍巖變形規(guī)律研究雖然已經(jīng)取得了一定的研究成果，但目前仍主要集中于常規(guī)條件下巷道FLAC3D模擬及理論分析等[7-11]，對(duì)于深部受沖擊地壓影響的巷道圍巖變形規(guī)律工程實(shí)際研究相對(duì)較少。因此，以陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)胡家河煤礦402102工作面回風(fēng)巷為工程背景，采用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，分析了深部堅(jiān)硬特厚煤層沖擊地壓影響下的巷道圍巖變形規(guī)律，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為深部礦井沖擊地壓防治及巷道圍巖變形特征研究提供了理論及實(shí)踐工作基礎(chǔ)。

1 礦井概況

胡家河煤礦位于陜西省咸陽市西北部，彬長(zhǎng)礦區(qū)中北部。井田主要可采煤層為4#煤層，可采面積47.655km2，煤層厚度一般為10～15.00m，屬大部可采煤層。以4#煤層402102工作面巷道圍巖為研究背景，該工作面可采長(zhǎng)度為1793m，傾向長(zhǎng)度180m，埋深570～670m，煤層厚度14m，采用分層綜采放頂煤采煤法，割煤設(shè)計(jì)高度3.5m，放頂煤高度10m。工作面共設(shè)計(jì)四條回采巷道，分別為運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道、高抽巷道和泄水巷道，所研究回風(fēng)巷道位于工作面東側(cè)，與402103采空區(qū)間煤柱寬度70m，其長(zhǎng)度為1885m，矩形斷面凈寬5.4m，凈高3.4m，S凈=18.36m2，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。

4#煤層上、下分層均具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板也具有弱沖擊傾向性，所屬402102工作面巷道長(zhǎng)期受沖擊地壓影響。隨著工作面回采，掘進(jìn)工作面均會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，“煤炮”頻繁發(fā)生，局部巷道漏頂嚴(yán)重，錨桿(索)頻繁拉斷，局部巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致帶式輸送機(jī)支架偏移、掘進(jìn)機(jī)發(fā)生位移等，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，給礦井安全生產(chǎn)帶來了一定的影響。

2 巷道圍巖沖擊破壞機(jī)制

巷道圍巖變形主要是由采掘活動(dòng)造成巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生變化而引起的。在深部高應(yīng)力環(huán)境開采條件下，隨著采掘活動(dòng)的進(jìn)行，巷道周圍煤巖體應(yīng)力重新分布，巷道圍巖周圍會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，承受高應(yīng)力的頂?shù)装迕簬r體一般不會(huì)直接發(fā)生沖擊破壞[12]。只有在采動(dòng)應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力等疊加影響下，巷道圍巖應(yīng)力開始超過圍巖的承載能力，此時(shí)圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，在煤巖體深處沖擊震源沖擊波作用下工作面煤體發(fā)生破壞[13]，巷道圍巖瞬間發(fā)生劇烈的變形，進(jìn)而產(chǎn)生巷道圍巖沖擊地壓破壞[14]。

深部高應(yīng)力特厚煤層開采時(shí)，由于煤體應(yīng)力分布、地質(zhì)條件等均發(fā)生較大變化，深部巷道圍巖變形也隨之呈現(xiàn)明顯的非線性變化狀態(tài)。巷道圍巖變形主要受工作面超前支承壓力的影響，沿工作面走向超前支承壓力不斷提高，巷道圍巖變形也隨支承壓力提高而不斷增大，兩者分布情況基本一致。而深部圍巖變形較之支承壓力變化具有一定的滯后性，即距離回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)巷道圍巖變形量一般較小，隨著工作面逐漸推進(jìn)，圍巖所受超前支承壓力提高，圍巖內(nèi)能量逐漸積聚，在距離工作面一定距離時(shí)，在多種應(yīng)力的疊加效應(yīng)下，煤體能量釋放并迅速失穩(wěn)破壞，巷道圍巖變形呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的狀態(tài)，并在一段時(shí)間后達(dá)到最大值。

巷道圍巖受采動(dòng)影響后，受到超前支承壓力的作用，如果將原巖應(yīng)力看作σ0，則受采動(dòng)影響后的支承壓力為(1+k)σ0，根據(jù)極限平衡理論可得到受采動(dòng)后巷道圍巖的塑性區(qū)半徑R及其周邊的位移u[15]：

式中，σ0為原巖應(yīng)力，MPa；r0為巷道半徑，m；p為支架阻力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；k為應(yīng)力集中系數(shù)；c為內(nèi)聚力，MPa；G為剪切彈性模量，MPa。

由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果可知：σ0=15MPa，r0=2.7m，φ=40°，k=4，c=3.2MPa，G=613MPa，p=15MPa。將各參數(shù)代入計(jì)算得，R=3.71m，u=0.058m，即巷道塑性區(qū)寬度為R-r0=0.71m，在錨固區(qū)范圍內(nèi)，表面位移量為58mm，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

從式(1)、式(2)也可以看出，當(dāng)k>0時(shí)，此時(shí)圍巖受到超前支承壓力作用，塑性區(qū)半徑和圍巖周邊的位移均增大，當(dāng)巷道處于應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，受到采動(dòng)應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力等疊加影響，煤巖體所受應(yīng)力迅速超過自身承載能力，發(fā)生劇烈的沖擊變形破壞。

3 圍巖變形破壞規(guī)律模擬分析

3.1 模型建立

以胡家河煤礦402102工作面回風(fēng)巷為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析深部沖擊回采巷道圍巖變形破壞規(guī)律。模擬埋深600m，所建模型尺寸為610m×1500m×130m，為提高計(jì)算的精度，在巷道附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，X方向上每格代表1m，Y方向上每格代表5m。在模型豎直方向加載上覆巖層的自重應(yīng)力15MPa，水平應(yīng)力為18MPa，并限制模型前、后、左、右和下等五個(gè)表面的位移和初速度，同時(shí)底面為固定約束，模擬的模型采用基于彈塑性理論的摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。模擬煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

模擬煤層巷道埋深達(dá)687m，為典型的深部沖擊地壓礦井，其地應(yīng)力規(guī)律與一般巷道存在明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)為水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。為了在數(shù)值模擬中較為準(zhǔn)確地體現(xiàn)巷道地應(yīng)力規(guī)律，運(yùn)用從整體到局部的方法，即先建立大邊界模型確定工作面邊界的初始地應(yīng)力，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)進(jìn)行巷道周圍區(qū)域的模擬，模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較符合。

3.2 巷道圍巖塑性變形規(guī)律分析

為了研究402102工作面受采動(dòng)影響的巷道圍巖變形破壞規(guī)律，模擬分析了工作面回采期間距離工作面不同距離的巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 回采期間巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

深部巷道圍巖受到的采動(dòng)影響程度不同，圍巖塑性區(qū)分布也會(huì)發(fā)生一定的改變，距離工作面距離越近，塑性區(qū)分布范圍越大，巷道圍巖變形破壞更加嚴(yán)重。由圖1可知，在工作面回采采動(dòng)影響下，工作面前方圍巖塑性區(qū)開始逐漸增大。在距離工作面前方10m范圍內(nèi)時(shí)，頂板及煤柱側(cè)圍巖位于應(yīng)力集中區(qū)，此時(shí)圍巖發(fā)生大范圍的塑性變形破壞，破壞深度可達(dá)3m，而煤壁側(cè)及底板圍巖由拉伸破壞逐漸轉(zhuǎn)為剪切破壞，但塑性破壞范圍基本穩(wěn)定，最大塑性破壞深度為1m，巷道圍巖產(chǎn)生小幅度的變形破壞。

為通過數(shù)據(jù)直觀表示出回采采動(dòng)影響下的巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律，針對(duì)圖1中塑性區(qū)破壞范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同采動(dòng)影響下的巷道圍巖塑性區(qū)最大破壞范圍，如圖2所示。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)變形破壞規(guī)律

由圖2可知，距離工作面越近，受到采動(dòng)應(yīng)力作用越明顯，圍巖塑性區(qū)破壞范圍越大，其中頂板及煤柱側(cè)圍巖位于應(yīng)力集中區(qū)，圍巖變形破壞深度相對(duì)更大。通過對(duì)至工作面煤壁不同距離下的巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性區(qū)分布情況進(jìn)行比較分析，認(rèn)為回采期間巷道頂板和兩幫塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)出拋物線形式變化，當(dāng)回采至一定距離時(shí)，巷道塑性區(qū)范圍趨于穩(wěn)定，其中巷道頂板最大塑性區(qū)范圍為3m，底板最大塑性區(qū)范圍為0.75m，煤柱幫塑性區(qū)最大范圍為1m，煤壁幫最大塑性區(qū)寬度為0.75m。模擬確定巷道塑性區(qū)范圍為0.75m，與理論計(jì)算0.71m結(jié)果基本符合，其中，煤柱幫受采動(dòng)影響明顯，塑性區(qū)寬度較煤壁側(cè)相對(duì)偏大。研究確定，采動(dòng)影響下回風(fēng)巷頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)范圍大于兩幫，頂板圍巖塑性范圍大于底板，煤柱側(cè)圍巖塑性范圍大于煤壁側(cè)圍巖。

綜上可得，距離工作面越近，回采強(qiáng)擾動(dòng)造成巷道圍巖塑性破壞越顯著，在距離工作面前方10m范圍內(nèi)時(shí)頂板及煤柱側(cè)圍巖塑性破壞范圍顯著增大，引起巷道圍巖發(fā)生較大范圍的變形破壞，頂板及煤柱側(cè)圍巖沖擊變形破壞特征明顯。

4 巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為確定工作面回采巷道沖擊圍巖變形規(guī)律，在402102工作面回風(fēng)巷頂板及兩幫分別布置深基點(diǎn)位移計(jì)并對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行了觀測(cè)分析。

4.1 巷道兩幫圍巖變形分析

4.1.1 煤壁側(cè)巷幫圍巖變形分析

煤壁側(cè)圍巖變形曲線如圖3所示，由圖3可知：在距離工作面80m范圍外，巷道煤壁側(cè)圍巖位移變化很小，基本不受采動(dòng)影響；在距離工作面80m范圍內(nèi)時(shí)，開始受到工作面超前采動(dòng)影響，巷道圍巖變形程度逐漸增大；在距離工作面10～45m范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖變形開始呈現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)，圍巖位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，煤壁側(cè)圍巖受工作面采動(dòng)影響劇烈。

圖3 煤壁側(cè)圍巖變形曲線

4.1.2 煤柱側(cè)巷幫圍巖變形分析

煤柱側(cè)圍巖變形曲線如圖4所示，由圖4可知：在距離工作面80m范圍外，圍巖位移變化很小，此時(shí)煤柱側(cè)圍巖基本不受工作面超前采動(dòng)影響；在距離工作面80m范圍內(nèi)時(shí)，圍巖位移出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng)，此時(shí)開始受到超前采動(dòng)影響，巷道圍巖開始出現(xiàn)一定程度變形；在距離工作面55m范圍內(nèi)，圍巖位移逐漸呈現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，圍巖位于應(yīng)力集中區(qū)，此時(shí)煤柱側(cè)圍巖受工作面采動(dòng)影響劇烈。

圖4 煤柱側(cè)圍巖變形曲線

對(duì)比分析可以得出，留設(shè)45m區(qū)段煤柱條件下，回采巷道煤柱側(cè)圍巖變形影響范圍大于煤壁側(cè)圍巖，且煤壁側(cè)煤體發(fā)生一定的相對(duì)位移，而煤柱側(cè)圍巖3.5m范圍內(nèi)煤體均發(fā)生了一定程度的變形，深部圍巖變形相對(duì)更為明顯。整體上來說，巷道煤柱側(cè)與煤壁圍巖最大圍巖變形量達(dá)80mm，兩幫變形趨于可控的穩(wěn)定范圍內(nèi)。

4.2 巷道頂板圍巖變形分析

在分析回采采動(dòng)影響下巷道煤柱側(cè)及煤壁側(cè)圍巖變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，以所測(cè)頂板圍巖深基點(diǎn)位移，針對(duì)所測(cè)頂板圍巖變形情況進(jìn)行比較分析，確定工作面回采采動(dòng)影響范圍及其頂板圍巖變形特征，如圖5所示。

圖5 頂板圍巖變形曲線

由圖5可知：在距離工作面145～160m范圍外，圍巖位移變化很小，此時(shí)頂板圍巖基本不受工作面超前采動(dòng)影響；在距離工作面145～160m范圍內(nèi)時(shí)，圍巖位移呈現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)，此時(shí)圍巖位于應(yīng)力集中區(qū)，受工作面超前采動(dòng)影響；在距離工作面80m范圍內(nèi)，回風(fēng)巷頂板測(cè)點(diǎn)圍巖變化程度偏小，圍巖變形趨于平緩，巷道圍巖變形穩(wěn)定，受超前支護(hù)及卸壓工程等的綜合作用，巷道頂板圍巖維護(hù)狀況良好。其中，兩側(cè)點(diǎn)頂板圍巖位移增幅基本一致，兩者變形規(guī)律基本相似，最大圍巖位移量分別達(dá)到180mm和110mm，區(qū)別是頂板圍巖分別在距離巷幫8m和4m范圍內(nèi)以及4m和2.5m范圍內(nèi)的煤體出現(xiàn)一定程度的相對(duì)位移，表明頂板圍巖最大離層破壞現(xiàn)象深度在4m左右，總體圍巖變形趨于穩(wěn)定，具體受地質(zhì)條件及支護(hù)工程等多種因素影響。

以上所測(cè)數(shù)據(jù)均為巷道在實(shí)施超前支護(hù)及爆破卸壓的基礎(chǔ)上，其中實(shí)際測(cè)所得巷道兩幫表面相對(duì)位移量分別為27mm和53mm，煤柱側(cè)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算結(jié)果57mm基本相符，而煤壁側(cè)位移量偏小，表明巷道超前卸壓等工程效果良好，較好滿足了安全生產(chǎn)需要。

綜上可得，沿402102工作面走向可將回風(fēng)巷圍巖變形在回采期間可劃分為三個(gè)階段：①無采動(dòng)影響階段，在距離工作面前方145～160m范圍以外的區(qū)域，該階段回風(fēng)巷基本不受采動(dòng)影響，巷道維護(hù)狀況良好；②采動(dòng)影響階段，在距離工作面前方145～160m范圍內(nèi)時(shí)，由于受到工作面超前支承壓力的影響，巷道圍巖變形量出現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)，其中在距離工作面前方80～100m范圍內(nèi)時(shí)，受超前支護(hù)及卸壓工程等措施，巷道頂板圍巖變形基本趨于平緩；③采動(dòng)影響劇烈階段，在距離工作面超前45～55m范圍內(nèi)時(shí)，煤柱側(cè)及煤壁側(cè)圍巖位移均開始出現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)，煤柱側(cè)采動(dòng)影響范圍大于煤壁側(cè)圍巖，此時(shí)圍巖位于應(yīng)力集中區(qū)，受工作面采動(dòng)影響劇烈。

5 結(jié) 論

1)回采巷道圍巖受回采強(qiáng)擾動(dòng)作用影響明顯，距離工作面越近，受到采動(dòng)影響越大，巷道圍巖變形程度越大，反之，則圍巖變形程度越小。

2)深部堅(jiān)硬特厚煤層開采條件下，受沖擊地壓作用圍巖變形也具有突變性，往往在回采至一定距離時(shí)，多種應(yīng)力疊加引發(fā)沖擊性圍巖變形破壞，圍巖變形迅速增長(zhǎng)。

3)在留設(shè)45m區(qū)段煤柱條件下，回采巷道頂板圍巖受回采擾動(dòng)影響范圍較大，兩幫受回采擾動(dòng)影響范圍較小，且煤柱側(cè)采動(dòng)影響大于煤壁側(cè)。