魏家地煤礦采場底板損傷特性研究

苗在全 張建江

（甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司魏家地煤礦）

魏家地煤礦北1103工作面針對瓦斯抽放效率低的問題，于工作面中部增設(shè)一條專用通防巷，使工作面形成“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式［1-5］。由于通防巷靠近工作面中部，這導(dǎo)致其圍巖的應(yīng)力環(huán)境及變形特征與采場兩側(cè)的順槽有較大差別［6］，另一方面，通防巷的開挖會對工作面底板局部范圍造成卸荷，導(dǎo)致采場底板的破壞特征有別于雙巷布置的采場底板［7-8］。因此，有必要對通防巷圍巖破壞特征以及增設(shè)通防巷前后采場底板的損傷特征進(jìn)行對比分析。

本研究結(jié)合魏家地煤礦實(shí)際地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，從應(yīng)力、變形以及塑性區(qū)分布特征等方面對增設(shè)通防巷前后底板的損傷變化情況進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

魏家地煤礦北1103綜放工作面位于北一采區(qū)，煤層平均可采厚度約8.07 m，工作面可采走向長為948 m，工作面平均斜長為200 m。采用走向長壁后退式采煤法，沿煤層頂?shù)装寤夭?，一次采全高，全部垮落法管理頂板?/p>

北1103工作面采用“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，即沿煤層底板布置一條運(yùn)輸順槽、一條通防巷和一條回風(fēng)順槽，巷道采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，其中通防巷距回風(fēng)巷水平距離為77 m。

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)魏家地實(shí)際地質(zhì)情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立地層模型，模型尺寸為300 m×200 m×124.7 m（長×寬×高）。計(jì)算時模型四周限制水平位移，底部限制Z方向位移，模型頂部按照600 m埋深施加荷載，側(cè)面施加梯形荷載。采用彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，模擬不同工作面推進(jìn)距離條件下采場及巷道底板的應(yīng)力和破壞特征。工作面沿y軸方向推進(jìn)，模型如圖1所示。

各巖層力學(xué)參數(shù)按照魏家地煤礦提供的設(shè)計(jì)說明書、地質(zhì)資料及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 通防巷增設(shè)前后底板穩(wěn)定特征對比分析

不同工作面推進(jìn)步距下增設(shè)通防巷前后采場圍巖的垂直應(yīng)力、變形及破壞的對比情況如圖2～圖4所示。

從應(yīng)力分布特征可知，在工作面位置處（工作面前方0 m）增設(shè)通防巷前后采場底板的應(yīng)力分布特征差別不大；在工作面前方10 m處，增設(shè)通風(fēng)巷后采場底板的應(yīng)力集中程度變小，其中通防巷底板的局部范圍處于卸壓狀態(tài)；在工作面前方20 m處，增設(shè)通風(fēng)巷后采場底板的應(yīng)力集中程度和范圍進(jìn)一步減?。辉谧冃畏矫?，在工作面前方0 m，增設(shè)通防巷對采場底板的變形特征無明顯影響，隨著距工作面距離的增加，增設(shè)通防巷僅對通防巷底板的局部范圍內(nèi)的變形量有影響；在塑性區(qū)分布方面，增設(shè)通防巷前后在距工作面不同距離處對采場底板的破壞特征和破壞范圍無明顯影響。綜上所述，增設(shè)通防巷前后，僅對通防巷底板的局部范圍內(nèi)的穩(wěn)定性有影響，而對整個采場底板的穩(wěn)定性影響不大，但值得注意的是，通防巷底板圍巖在應(yīng)力集中、變形量和破壞范圍等方面均強(qiáng)于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，且差別較大，因此，有必要對比研究通防巷與回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的穩(wěn)定性。

3.2 巷道底板應(yīng)力分布對比分析

通防巷距離工作面中心位置更近，開采時該位置的采動影響較為劇烈，因此，通防巷的穩(wěn)定性與回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的區(qū)別較大。在不同工作面推進(jìn)步距下，3條巷道在軸向上應(yīng)力分布特征見圖5～圖7。

在不同推進(jìn)步距下，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的底板應(yīng)力分布特征較為一致，而通防巷無論在采空區(qū)位置處的卸壓程度還是在巷道底板位置處的卸壓程度，均大于通風(fēng)巷和運(yùn)輸巷。這主要因?yàn)樵诠ぷ髅嫱七M(jìn)過程中，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷主要受工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊?，而通防巷受工作面中部的超前支承壓力影響較大，靠近工作面中部的支承壓力大于側(cè)向支承壓力，導(dǎo)致通防巷對采動應(yīng)力的敏感度更高。

為了更直觀體現(xiàn)巷道底板應(yīng)力分布規(guī)律，對不同推進(jìn)步距下巷道底板應(yīng)力分布進(jìn)行了監(jiān)測，沿巷道軸向底板應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。當(dāng)推進(jìn)步距為20 m時，通防巷底板應(yīng)力小于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，通防巷在靠近采空區(qū)側(cè)實(shí)體煤內(nèi)的支承壓力高于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，而3條巷道在另一側(cè)實(shí)體煤內(nèi)的支承壓力相差不大。隨著推進(jìn)步距增加，通防巷底板應(yīng)力依然低于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的底板應(yīng)力，并且回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷底板應(yīng)力分布特征保持較高的同步性，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷底板應(yīng)力始終保持在5 MPa左右，通防巷底板應(yīng)力保持在3 MPa左右?？拷煽諈^(qū)側(cè)實(shí)體煤內(nèi)的支承壓力隨推進(jìn)步距的增加而增加，當(dāng)推進(jìn)步距接近60 m時，支撐壓力值趨于穩(wěn)定。3條巷道在靠近采空區(qū)側(cè)實(shí)體煤內(nèi)的支承壓力大于另一側(cè)實(shí)體煤，這主要因?yàn)榭拷煽諈^(qū)的實(shí)體煤內(nèi)存在較高的固定支承壓力。

由上述分析，通防巷底板應(yīng)力低于運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，這說明開挖后通防巷底板的卸荷擾動程度更大，對采動影響的敏感度也更高。因此，有必要研究通防巷在距工作面不同距離處沿巷道斷面方向的應(yīng)力分布特征。通防巷距工作面不同距離處的應(yīng)力分布特征如圖9所示。

在工作面位置處，兩側(cè)巷幫內(nèi)的應(yīng)力關(guān)于巷道中心呈對稱分布，應(yīng)力值接近10 MPa，且巷道底板應(yīng)力則呈非對稱分布特征，其中靠近回風(fēng)巷側(cè)底板應(yīng)力小于靠近運(yùn)輸巷側(cè)底板應(yīng)力，且應(yīng)力值較小，介于0～5 MPa；在工作面前方10 m處，兩側(cè)巷幫的應(yīng)力大幅增加，應(yīng)力值接近30 MPa，且兩側(cè)巷幫的應(yīng)力仍關(guān)于巷道中心呈對稱分布，而巷道底板應(yīng)力小幅增加，應(yīng)力值介于2～10 MPa，巷道底板關(guān)于巷道中心呈對稱分布；在工作面前方20 m處，兩側(cè)巷幫的應(yīng)力小幅增加，應(yīng)力值接近33 MPa，兩側(cè)巷幫的應(yīng)力仍關(guān)于巷道中心呈對稱分布，巷道底板應(yīng)力變化不大；在工作面前方30 m處，兩側(cè)巷幫的應(yīng)力有所減小，應(yīng)力值減小至27 MPa左右，且側(cè)巷幫的應(yīng)力仍關(guān)于巷道中心呈對稱分布，而巷道底板應(yīng)力則變化不大。綜上所述，工作面超前支撐壓力在通防巷底板內(nèi)傳播的峰值點(diǎn)位于工作面前方20～30 m，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該范圍內(nèi)的通防巷底板穩(wěn)定性需著重注意。

3.3 底板位移分布對比分析

通防巷距工作面中心位置更近，開采時該位置的采動卸荷程度更高，故而通防巷底板的卸荷回彈變形量會更大。因此，有必要對比研究不同工作面推進(jìn)步距下，3條巷道底板的變形特征。不同推進(jìn)步距下，3條巷道軸向上的位移分布特征如圖10～圖12所示。

在不同推進(jìn)步距下，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的底板變形分布特征基本一致，而通防巷在采空區(qū)位置處和巷道底板位置處的卸荷回彈變形量均大于通風(fēng)巷和運(yùn)輸巷。這主要因?yàn)樵诠ぷ髅嫱七M(jìn)過程中，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷主要受工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊?，而通防巷受工作面中部的超前支承壓力影響較大，由于超前支承壓力大于側(cè)向支承壓力，導(dǎo)致通防巷底板的卸荷擾動程度更高，底板的卸荷回彈變形量更大。

為了更直觀體現(xiàn)巷道底板位移分布規(guī)律，對不同推進(jìn)步距下巷道底板位移量進(jìn)行了監(jiān)測，沿巷道軸向底板位移監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。當(dāng)推進(jìn)步距為20 m時，采空區(qū)內(nèi)運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷所在位置的底板卸荷回彈變形量相差不大，而通防巷所在位置的底板回彈變形量大于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，這主要由通防巷所在位置的采動卸荷程度更高所導(dǎo)致。隨著距采空區(qū)的距離增加，3條巷道底臌量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，通防巷底鼓量在靠近采空區(qū)的局部范圍內(nèi)大于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，說明通防巷底板變形量對采動影響的敏感度更高。隨著推進(jìn)步距增加，采空區(qū)底板的回彈變形量逐漸增加，3條巷道的底臌量變化不大，僅在靠近采空區(qū)局部范圍內(nèi)的底臌量有所增加。實(shí)體煤底板的位移量小于零，說明底板巖體處于壓縮狀態(tài)，且底板壓縮變形量隨推進(jìn)步距的增加而逐漸增加并趨于穩(wěn)定?？拷煽諈^(qū)側(cè)實(shí)體煤底板的壓縮變形量大于另一側(cè)實(shí)體煤底板，這主要因?yàn)榭拷煽諈^(qū)的實(shí)體煤內(nèi)存在較高的固定支承壓力。

由上述分析，通防巷靠近采空區(qū)側(cè)的底臌量大于運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，說明通防巷對采動卸荷的敏感度更高。通防巷距工作面不同距離處的位移分布特征如圖14所示。

在工作面位置處（d=0 m），兩側(cè)巷幫內(nèi)的位移量相差不大，關(guān)于巷道中心近似呈對稱分布特征，而巷道底臌量則關(guān)于巷道中心呈非對稱分布，其中靠近回風(fēng)巷一側(cè)的底臌量大于另一側(cè)。隨著距工作面距離的增加，巷道底板和兩側(cè)巷幫底板位移量呈減小趨勢，當(dāng)巷道斷面距工作面的距離大于10 m時，巷道底板和巷幫底板的變形轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)，并且巷道底臌量仍呈非對稱分布特征。

3.4 充分采動作用下底板卸壓范圍

充分采動后，采空區(qū)和采場底板達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)［9-10］，本節(jié)以采場圍巖的垂直應(yīng)力分布特征作為參考指標(biāo)來分析布設(shè)通防巷前后采場底板各區(qū)域的卸壓范圍，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

在無通防巷的情況下，工作面位置處底板的最大卸壓深度為10 m，位于兩側(cè)回采巷道底板位置處（截面A-A）；在采空區(qū)中部沿工作面方向上，底板最大卸壓深度為29 m，卸壓范圍為35 m，位于采空區(qū)兩側(cè)（截面B-B）；工作面后方底板最大卸壓深度為21 m，卸壓范圍為21 m（截面C-C）。

增設(shè)通防巷后，工作面位置處底板的最大卸壓深度為20 m，位于通防巷底板位置處（截面A-A）；在采空區(qū)中部沿工作面方向上，底板最大卸壓深度為29 m，卸壓范圍為34 m，位于采空區(qū)兩側(cè)（截面B-B）；工作面后方底板最大卸壓深度為21 m，卸壓范圍為21 m（截面C-C）。

由上述分析可見，采空區(qū)達(dá)到充分采動狀態(tài)后，增設(shè)通防巷對采空區(qū)以及工作面附近底板的卸壓深度和卸壓范圍的影響并不大，但通防巷底板卸壓深度要大于運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷。

4 結(jié) 論

（1）基于魏家地煤礦的地層條件和開采條件建立了相關(guān)數(shù)值模型，分別計(jì)算分析了工作面在增設(shè)通防巷前后采場底板的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布特征。計(jì)算結(jié)果表明，增設(shè)通防巷后，僅對通防巷底板的局部范圍內(nèi)的穩(wěn)定性有影響，而對整個采場底板的穩(wěn)定性影響不大，但通防巷底板圍巖在應(yīng)力集中、變形量和破壞范圍等方面均強(qiáng)于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，且差別較大。

（2）在不同推進(jìn)步距下，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的底板應(yīng)力和變形分布特征較為一致，而通防巷底板的卸壓程度大于通風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，充分采動后，通防巷底板卸壓深度約為20 m，通風(fēng)巷和運(yùn)輸巷底板卸壓深度約為10 m。

（3）工作面底板的最大卸壓深度為20 m，位于通防巷底板附近；在采空區(qū)中部沿巖層傾向方向上，底板最大卸壓深度為29 m，卸壓范圍為34 m，分布于采空區(qū)兩側(cè)；工作面后方底板最大卸壓深度為21 m，卸壓范圍為21 m。

（4）通防巷兩側(cè)巷幫的位移量相差不大，并且關(guān)于巷道中心近似呈對稱分布特征，而底臌量則關(guān)于巷道中心呈非對稱分布，其中靠近回風(fēng)巷一側(cè)的底臌量大于另一側(cè)，兩側(cè)相差約5 mm。