動壓影響下巷道圍巖應力及變形規(guī)律數值模擬研究

楊 帆權春陽

（1.晉能控股集團雙創(chuàng)中心，山西大同037001;2.晉能控股集團科技信息部山西大同037001）

0 引言

巷道的穩(wěn)定與安全與否直接影響礦井安全的正常生產，動壓已是影響巷道支護質量和效果的一個主要因素[1]，8103工作面位于王村煤業(yè)東盤區(qū)，平均埋藏深度為500.1 m左右，平均煤層厚度2.67 m。5103回風巷在實煤中掘進，巷道斷面凈寬×凈高=5 500 mm×3 200 mm，設計長度2 577 m，南為東盤區(qū)8101工作面，東為三條盤區(qū)巷，西、北均為實煤區(qū)，8103工作面5103回風巷與相鄰8101工作面間隔25 m煤柱。5103回風巷在服務期間要分別受到自身巷道掘進、工作面頂回風巷、相鄰8101工作面回采多種采動影響，巷道圍巖應力變化特征復雜，在多重礦山壓力的綜合作用下，對5103回風巷巷道后期穩(wěn)定性會造成較大影響。

目前國內外學者對采煤工作面圍巖移動特征、基本頂的周期來壓、工作面上覆巖層移動規(guī)律等方面已取得了大量研究成果，但這些研究成果主要聚焦上覆巖層的“三帶”和回采空間周圍的煤柱區(qū)域，而對動壓引起巷道圍巖變形破壞的研究成果尚不多見[2]。本文通過開展巷道圍巖地質力學測試，研究綜掘面巷道不同階段采動應力和變形特征，提出對非動壓影響段巷道及動壓影響段巷道差異化支護設計。

1 巷道圍巖地質力學特性研究

利用KDBC-56型數字全景鉆孔窺視儀、WQCZ-56型圍巖強度測定裝置及SYY-56型水壓致裂地應力測量儀，在王村煤業(yè)開展了3組巷道圍巖綜合地質力學測點的測試工作，每個測點的測試內容包括井下巷道圍巖結構觀測，圍巖強度測定、地應力測量。如圖1所示。

圖1 地質力學測試測點位置示意圖

圍巖強度和結構觀測結果表明，王村煤礦山4#煤層直接頂砂質泥巖平均原位強度在巷道淺部能夠達到70 MPa左右，且巷道頂板4 m范圍內砂質泥巖的結構穩(wěn)定，節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，且厚度超過3 m，對于后期巷道變形和維護是比較有利的因素，因此巷道直接頂圍巖穩(wěn)定性相對較好，巷道后期支護難度相對較小，如圖2所示。

圖2 山4#煤層頂板圍巖結構觀測與圍巖強度測試

現(xiàn)場實測表明所測區(qū)域最大水平應力均超過13 MPa，最大值為16.63 MPa，垂直應力均超過10 MPa，應力場在量值上屬于中等地應力場。應力場類型為σH＞σV＞σh型應力場[3]，所測區(qū)域內地應力以垂直水平應力為主，水平主應力對巷道頂底板的影響作用大于對巷道兩幫的影響，垂直應力主要影響巷道的兩幫受力和變形。

5103回風巷道布置在北偏西73°上，最大水平主應力方向北偏西33.3°和北偏東34.2°之間，這說明5103回風巷從地應力的角度來說巷道布置方向與最大水平方向夾角在40°～74°之間，此時最大水平應力對巷道穩(wěn)定性影響程度有一定影響[4]，考慮到最大水平應力屬于中等偏低應力場，故而其影響程度相對比較有限，對巷道圍巖穩(wěn)定性不會產生非常顯著的影響。

2 綜掘面巷道不同階段采動應力和變形特征

2.1 數值模擬方案

采用大型FLAC3D數值軟件，按照王村煤業(yè)實際工程地質狀況，坐標系采用直角坐標系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正。取5103回風巷左下角點為坐標原點，水平向右為X軸正方向，沿巷道方向垂直向內為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，重力方向沿Z軸負方向，如圖3。分別模擬5103回風巷、8103工作面頂回風巷掘進期間，以及相鄰的8101工作面回采期間三種情況下巷道圍巖受力變形特征。

圖3 數值模型整體效果圖

2.2 5103回風巷掘進期間巷道圍巖受力變形特征

當5103回風巷掘進后，由于受到臨近已掘進完成的2101巷影響，兩條巷道垂直應力存在一定的疊加效應，而水平應力和位移場疊加效應不明顯。巷道掘進后，水平應力集中區(qū)域分布于巷道的頂板和底板。通過對比分析可見，最大垂直應力峰值均為16 MPa左右，峰值位于巷道兩幫處，煤幫垂直應力的峰值距離煤壁距離約為1.8 m，如圖4所示。

圖4 5103回風巷掘進期間圍巖及煤柱垂直應力分布狀態(tài)

2.3 8103頂回風巷掘進影響期間巷道圍巖受力變形特征

5103回風巷在掘進完成之后，在巷道的工作面?zhèn)?0 m布置頂回風巷，用于工作面瓦斯抽采。由于8103頂回風巷的掘進，巷道圍巖應力與5103回風巷工作面?zhèn)认锏赖拇怪睉Ξa生了疊加效應，導致垂直應力的峰值有所增加，從原有的16.1 MPa增大到17.0 MPa，且垂直應力的峰值區(qū)域從原有的巷道兩幫向右上方移動。頂板最大的下沉量從56.6 mm增大為59.6 mm，巷道底鼓量基本保持不變，始終為88.2 mm不變，這說明8103頂回風巷掘進對5103回風巷造成一定影響，圍巖應力和巷道變形量具有所增加，但是整體影響不是十分顯著，如圖5所示。

圖5 8103頂回風巷掘進期間圍巖垂直應力分布及5103巷位移

2.4 臨近8101工作面回采階段巷道圍巖受力變形特征

當8101工作面回采之后，對8101工作面保護煤柱產生了很大的側向支撐壓力，導致煤柱上形成較大的垂直應力集中，煤柱應力狀態(tài)分布呈現(xiàn)出在工作面?zhèn)瘸霈F(xiàn)峰值應力，8101工作面?zhèn)却怪睉Ψ逯颠_到43.6 MPa，5103回風巷垂直應力的峰值為23 MPa。8101工作面回采對5103回風巷造成的動壓影響十分明顯，巷道頂板相對比較掘進階段產生較大的變形，此時巷道頂板最大變形量從掘進期間的59.6 mm增大至166.9 mm，變形量相對比較回采之前增大了約2.8倍，如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 8101工作面回采期間圍巖垂直應力分布

圖7 8101工作面回采期間煤柱垂直應力分布狀態(tài)與5103巷道位移

8101工作面順槽長度為1 850 m，而5103回風巷長度為2 500 m左右。針對5103回風巷位于8101工作面回采動壓影響地段（0 m～1 900 m）范圍內，以及5103回風巷不受8101工作面回采影響（1 900 m～2 500 m）范圍內兩種情況應進行差異化支護設計。

對于非動壓影響段巷道（1 900 m～2 500 m），巷道變形較少，幫部只進行錨桿支護即可。對于動壓影響段巷道（0 m～1 900 m），幫部還需錨索支護強化，強化幫部煤體承載能力，強化后的幫部錨固體支撐頂板和底板，減少頂板廣義撓度和底板跨度，從而減少動壓影響巷道的頂板下沉和底鼓。

3 結論

（1）地應力測試結果表明8103工作面應力場在量值上屬于中等地應力場，水平主應力對巷道頂底板的影響作用大于對巷道兩幫的影響，巷道開挖后，圍巖初期變形速度快，變形量大，在施工的過程中應及時對圍巖施加合理的預緊力，減少巷道的初期變形[5]。當5103回風巷掘進后，由于受到臨近已掘進完成的2101巷影響，兩條巷道垂直應力存在一定的疊加效應，而水平應力和位移場疊加效應不明顯。

（2）8103頂回風巷掘進導致5103回風巷應力和變形均有所增加，但影響不明顯。

（3）8101工作面回采導致煤柱垂直應力集中，側向支承壓力升高，工作面回采對巷道變形及應力影響較大。對于動壓影響段巷道，巷道幫部需錨索支護強化，從而減少動壓影響巷道的頂板下沉和底鼓。