東周窯煤礦8107綜放工作面超前支護(hù)段應(yīng)力分布及變形特征

王 冬

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

回采巷道超前支護(hù)段受掘進(jìn)及多次采動(dòng)影響，圍巖裂隙相對(duì)發(fā)育，巷道變形加劇，表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，易造成冒頂、片幫，甚至引發(fā)沖擊地壓事故。因此，對(duì)回采巷道采取及時(shí)有效的超前支護(hù)形式，能夠在很大程度上降低甚至排除事故風(fēng)險(xiǎn)，提高巷道支護(hù)質(zhì)量和巷道圍巖穩(wěn)定性，有利于井下煤炭資源安全高效開(kāi)采。

我國(guó)煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、金屬支架支護(hù)到錨桿支護(hù)的發(fā)展過(guò)程，總結(jié)為4類支護(hù)方法：支護(hù)法、加固法、應(yīng)力控制法和聯(lián)合支護(hù)法[1]。史澤坡等[2]通過(guò)數(shù)值模擬分析厚煤層堅(jiān)硬頂板工作面開(kāi)采過(guò)程中超前支承壓力分布特征，發(fā)現(xiàn)其影響范圍可達(dá)40 m以上，且應(yīng)力集中程度普遍處于較高狀態(tài)。李學(xué)華等[3]從巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移的角度提出底板松動(dòng)爆破加注漿、巷道底板掘巷、巷道頂板掘巷等技術(shù)，為解決高應(yīng)力巷道維護(hù)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。王國(guó)法等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的研究方法分析了采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律與影響范圍，提出了“低初撐、高工阻”非等強(qiáng)耦合支護(hù)理念和超前支護(hù)設(shè)計(jì)原理。這些研究成果為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力的理論與技術(shù)支撐，尤其是超前巷道應(yīng)力分布規(guī)律及圍巖變形特征作為支護(hù)設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)，決定了超前支護(hù)長(zhǎng)度和支護(hù)強(qiáng)度。

針對(duì)采動(dòng)影響的回采巷道超前支護(hù)難題，本文利用數(shù)值計(jì)算研究超前支護(hù)段圍巖應(yīng)力分布及變形特征，為把握工作面四周支承壓力分布規(guī)律及確定超前支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)距離提供理論參考。

1 工程概況

同發(fā)東周窯煤礦8107工作面位于石炭系太原組5號(hào)層一盤區(qū)，東北側(cè)為C5號(hào)層8105工作面采空區(qū)，西北側(cè)為盤區(qū)大巷和8106工作面采空區(qū)，南側(cè)為未采實(shí)體，東側(cè)為未采實(shí)體煤和井田邊界。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 533 m，寬度253 m。煤層平均厚度5.85 m，開(kāi)采深度平均519 m左右。工作面布置運(yùn)輸與回風(fēng)兩條巷道，煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

表1 煤層頂、底板巖性特征

2 模型建立

根據(jù)同發(fā)東周窯煤礦8107工作面地質(zhì)信息建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為412 m×150 m×52.3 m，布置2條巷道，本工作面面長(zhǎng)250 m。

模型邊界條件為：模型上部施加按上覆巖層重量計(jì)算的垂直應(yīng)力，取7.1 MPa；模型底部沿垂直方向固定，左右兩邊界沿水平方向固定，煤層頂?shù)装褰⒔佑|面。采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各巖層力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型計(jì)算步驟為：①根據(jù)工作面巷道布置情況，建立數(shù)值計(jì)算模型；②對(duì)巖層力學(xué)參數(shù)賦值，迭代至原巖應(yīng)力平衡；③開(kāi)掘運(yùn)輸巷、輔運(yùn)巷兩條巷道，運(yùn)算至平衡，輸出應(yīng)力云圖、位移云圖、塑性區(qū)分布圖；④工作面進(jìn)行回采，共推進(jìn)130 m，運(yùn)算至平衡，輸出運(yùn)輸、回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力云圖、位移云圖、塑性區(qū)分布圖。

3 一次采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征

1) 垂直應(yīng)力。沿走向方向取回風(fēng)巷截面，記錄采空區(qū)前后一定距離內(nèi)圍巖垂直應(yīng)力分布情況，得到側(cè)向支承壓力影響范圍；記錄超前工作面一定距離內(nèi)回風(fēng)巷圍巖垂直應(yīng)力分布情況，得到超前支承壓力影響范圍。采空區(qū)前10 m，采空區(qū)后10 m、20 m及30 m處回風(fēng)巷的垂直應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 采空區(qū)前后一定距離運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力云圖

分析可知，受工作面一次回采影響，巷道圍巖應(yīng)力再次重新分布，在煤柱及工作面?zhèn)葞筒吭斐刹煌潭鹊膽?yīng)力集中。隨著工作面回采，煤柱煤體內(nèi)應(yīng)力集中十分明顯，特別是靠近采空區(qū)一側(cè)，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到22.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.82。工作面?zhèn)葞筒浚軅?cè)向支承壓力影響程度減弱，該區(qū)域內(nèi)側(cè)向支承壓力峰值為12.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.58，見(jiàn)圖2。工作面超前10 m、20 m、30 m、40 m處，回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖3。受工作面超前支承壓力影響，巷道周邊圍巖應(yīng)力集中程度較掘進(jìn)期間增大，特別是工作面?zhèn)葞筒扛鼮槊黠@。超前工作面10 m、20 m、30 m、40 m處，本工作面?zhèn)葞筒繎?yīng)力峰值分別是20.2 MPa、15.6 MPa、13.3 MPa、11.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.53、1.95、1.66、1.4，峰值處分別位于距離回風(fēng)巷左幫表面3.2 m、2.2 m、2.1 m、1.9 m處。

圖2 采空區(qū)后工作面?zhèn)葍A斜方向垂直應(yīng)力分布圖

圖3 超前工作面一定距離運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力圖

沿走向方向，在本工作面煤體內(nèi)，距離運(yùn)輸巷右?guī)筒?0 m處取一測(cè)線，得到本工作面?zhèn)葞筒砍爸С袎毫Ψ植记€，見(jiàn)圖4。

圖4 工作面?zhèn)葞筒烤噙\(yùn)輸巷右?guī)捅砻?0 m處超前支承壓力分布圖

由圖4可知，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面前方7 m處，峰值強(qiáng)度為21.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.7，支承壓力影響范圍大致在工作面前方35 m內(nèi)。

2) 垂直位移。超前工作面40 m范圍內(nèi)，運(yùn)輸巷位移分布見(jiàn)圖5，頂板最大下沉量見(jiàn)圖6。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，受本工作面一次采動(dòng)影響后，運(yùn)輸巷頂板下沉加劇，頂板最大下沉量達(dá)到140 mm。遠(yuǎn)離工作面，隨著超前支承壓力減小，巷道頂板受支承壓力影響程度降低，頂板最大下沉量逐漸減小。與掘進(jìn)期間頂板下沉量相比，一次采動(dòng)影響下頂板最大下沉增量為104.1 mm。

圖5 超前工作面40 m運(yùn)輸巷垂直位移分布圖

圖6 超前工作面40 m范圍內(nèi)運(yùn)輸巷頂板最大下沉量圖

3)塑性區(qū)分布受工作面一次采動(dòng)影響后，超前工作面40 m范圍內(nèi)運(yùn)輸巷塑性區(qū)發(fā)育如圖7所示。

圖7 運(yùn)輸巷超前工作面40 m范圍內(nèi)塑性區(qū)圖

分析可知，在本工作面超前支承壓力的影響下，巷道圍巖發(fā)生塑性破壞的范圍逐步擴(kuò)大，塑性區(qū)半徑相應(yīng)增大。在支承壓力峰值后，支承壓力引起巷道右?guī)?、工作面煤壁及煤層底板發(fā)生強(qiáng)烈的塑性破壞。達(dá)到支承壓力峰值后，支承壓力逐漸減小，巷道周邊圍巖塑性區(qū)范圍及深度逐漸減小，隨圍巖塑性區(qū)發(fā)展至超前工作面約35 m處與掘進(jìn)期間塑性區(qū)一致。通過(guò)對(duì)比上述4張圖也可以發(fā)現(xiàn)，超前支承壓力主要使巷道頂板、右?guī)蛧鷰r塑性區(qū)更為發(fā)育，而左幫、底板塑性區(qū)范圍與掘進(jìn)期間相差不大。

受工作面回采影響，回風(fēng)巷周邊圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況如圖8所示。由于留設(shè)的煤柱降低了側(cè)向支承壓力的影響，一定程度上減輕回風(fēng)巷工作面?zhèn)葞筒繃鷰r發(fā)生塑性破壞。由圖可知，煤柱塑性區(qū)發(fā)育顯著，在側(cè)向支承壓力影響下，煤柱大部分區(qū)域及煤層底板發(fā)生大范圍塑性區(qū)破壞，而工作面?zhèn)葞筒繃鷰r塑性區(qū)范圍與掘進(jìn)期間相差不大。由于采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用，回風(fēng)巷頂板塑性區(qū)范圍和深度較掘進(jìn)期間擴(kuò)大，并且采空區(qū)破斷巖層觸矸后，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，支承壓力得到釋放，因此側(cè)向支承壓力影響程度增大，而后趨于穩(wěn)定。

圖8 上區(qū)段采空區(qū)后一定范圍內(nèi)輔運(yùn)巷塑性區(qū)分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 一次采動(dòng)影響使得運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力集中于本工作面實(shí)體煤處，使頂板下沉量最大增加104.1 mm，塑性區(qū)較發(fā)育，超前支承壓力峰值為21.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.7，影響范圍為超前工作面35 m。受二次采動(dòng)影響，回風(fēng)巷疊加支承壓力峰值26.1 MPa，影響范圍為超前工作面50 m，頂板下沉最大增量為200 mm，塑性區(qū)很發(fā)育。

2) 運(yùn)輸巷受一次回采影響，工作面?zhèn)葞筒繎?yīng)力集中明顯，頂板下沉量迅速增加，塑性區(qū)較發(fā)育，超前支承壓力影響范圍可達(dá)35 m；回風(fēng)巷受一次回采影響，煤柱及工作面?zhèn)葞筒砍霈F(xiàn)應(yīng)力集中，頂板下沉量增加。而受二次回采影響，工作面?zhèn)葞筒考懊褐憩F(xiàn)高度的應(yīng)力集中，頂板下沉量快速增加，塑性區(qū)特別發(fā)育，疊加支承壓力影響范圍擴(kuò)大，峰值位置前移。