特厚煤層回采巷道塑性區(qū)形態(tài)特征及演化規(guī)律研究

鎬 振，孫光中

(1.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南理工大學(xué) 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.河南工程學(xué)院 礦山安全與綠色開采研究院，河南 鄭州 451191)

0 引 言

隨著我國礦井開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，由復(fù)雜應(yīng)力條件下造成的巷道圍巖破壞愈加嚴(yán)重，由此造成的巷道大變形、冒頂、沖擊破壞等災(zāi)害事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著礦井的安全高效生產(chǎn)，特別是近幾年，在河南義馬、甘肅華亭、陜西彬長等礦區(qū)，已有十多個(gè)特厚煤層(煤層厚度8～50 m)回采巷道頻繁發(fā)生嚴(yán)重沖擊破壞和支護(hù)困難的問題[1-2]。大量現(xiàn)場實(shí)踐和理論研究均表明，巷道圍巖變形破壞的實(shí)質(zhì)是巷道圍巖塑性區(qū)的形成和擴(kuò)展，巷道圍巖的破壞模式和程度取決于塑性區(qū)的形態(tài)特征和尺寸大小。因此，研究巷道圍巖變形破壞也就可以轉(zhuǎn)化為研究巷道圍巖塑性區(qū)的形態(tài)特征及演化規(guī)律[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的研究開始于20世紀(jì)30年代。KASTNER等[4]研究了雙向等壓條件下圓形巷道塑性區(qū)形態(tài)，于學(xué)馥[5-7]認(rèn)為巷道塑性破壞區(qū)是橢圓形的，并提出了“軸變論”的觀點(diǎn)。董方庭等[8]提出了巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，認(rèn)為圍巖松動(dòng)圈是圍巖應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí)所產(chǎn)生的破壞區(qū)。隨著煤炭開采深度的不斷增加，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)深部巖體會(huì)產(chǎn)生破壞區(qū)域和未破壞區(qū)域交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，將其稱為圍巖分區(qū)裂化現(xiàn)象[9-10]。

20世紀(jì)80年代，馬念杰[11]、侯朝炯[12]采用數(shù)值模擬方法分析非等壓條件下巷道圍巖塑性區(qū)特征，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖塑性區(qū)存在“*”形分布特征，并初步探討了該塑性區(qū)形態(tài)出現(xiàn)的條件。趙志強(qiáng)[3]重新推導(dǎo)了非等壓條件下圓形巷道圍巖的塑性區(qū)邊界方程，將計(jì)算得出的非均勻塑性區(qū)稱為蝶形塑性區(qū)，并深入研究了塑性區(qū)的形態(tài)特征和分布規(guī)律。近年來，馬念杰團(tuán)隊(duì)[13-15]經(jīng)過不斷的研究，將“蝶形塑性區(qū)理論”應(yīng)用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、瓦斯抽采鉆孔布置等方面。

千秋礦位于河南義馬煤田中部，并且頻繁發(fā)生巷道沖擊破壞，僅21141工作面回采期間就有24次沖擊破壞事件發(fā)生在運(yùn)輸巷，占千秋礦統(tǒng)計(jì)事件總數(shù)的58.5%[16]。掌握厚煤層回采巷道塑性區(qū)形態(tài)特征及演化規(guī)律，可以為煤巖動(dòng)力災(zāi)害防控、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。基于此，筆者以千秋礦21141工作面運(yùn)輸巷為背景，研究特厚煤層回采巷道塑性區(qū)的形態(tài)特征及演化規(guī)律，為該條件下的巷道圍巖破壞機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

義馬煤田是我國典型的沖擊災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，其典型特征是煤層上覆巖層為厚度幾十至數(shù)百米的礫巖，成分以石英巖、石英砂巖為主。千秋礦主采二煤，平均厚度25.2 m，煤層平均傾角12°。二煤上方巖層依次為泥巖、礫巖、粉砂巖、細(xì)砂巖互層(厚度約205 m)以及礫巖(厚度約407 m)。

千秋礦21141工作面運(yùn)輸巷發(fā)生沖擊破壞事故的次數(shù)最多。該工作面平均埋深為684 m，傾向長度和走向長度分別為130 m和1 484.7 m，直接底為泥巖(厚度6.2 m)，基本底為細(xì)砂巖。21141工作面運(yùn)輸巷實(shí)際掘進(jìn)時(shí)留有厚度約為2 m的底煤，為半圓拱形巷道，斷面尺寸寬×高為6 317 mm×3 800 mm，采用錨網(wǎng)索噴+36U型鋼馬蹄形全封閉可縮性支架支護(hù)。采用放頂煤采煤法，自然垮落法管理頂板。

2 巷道圍巖塑性區(qū)形成力學(xué)機(jī)制及其形態(tài)特征

2.1 巷道圍巖塑性區(qū)形成力學(xué)機(jī)制

煤層開采會(huì)引起頂板垮落并造成圍巖應(yīng)力的重新分布，從而導(dǎo)致回采巷道圍巖區(qū)域應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生變化，使得巷道圍巖最大主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有時(shí)最大主應(yīng)力與豎直方向會(huì)產(chǎn)生夾角，而位于采空區(qū)周邊的回采巷道在上覆巖層傳遞的傾斜方向作用力影響下(圖1)，回采巷道圍巖出現(xiàn)非均勻破壞[16-17]。

圖1 回采巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境Fig.1 Stress environment of mining roadway surrounding rock

處于非均質(zhì)且各向異性巖體中的回采巷道，從巷道掘進(jìn)到其服務(wù)的工作面回采結(jié)束，依次會(huì)受到掘進(jìn)擾動(dòng)、本工作面采動(dòng)影響，有時(shí)還會(huì)受到鄰近工作面開采形成的疊加應(yīng)力場的作用。

為了分析特厚煤層回采巷道圍巖塑性區(qū)的形態(tài)特征，在巷道所處區(qū)域取5倍巷道半徑作為分離體，建立非等壓應(yīng)力場中圓形巷道圍巖力學(xué)模型(圖2)。分離體的邊界條件為：內(nèi)部幾何邊界為半徑為a的圓形，P1與P3分別為作用在模型邊界豎直方向和水平方向上的載荷。由于與原巖應(yīng)力相比巷道支護(hù)力很小，所以內(nèi)部應(yīng)力邊界忽略不計(jì)。

圖2 非等壓應(yīng)力場中圓形巷道力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of circular roadway in inhomogeneous stress field

非等壓應(yīng)力場條件下圓形巷道圍巖塑性區(qū)的邊界方程[3,7]為：

(1)

式中：C、φ分別為煤體的黏聚力與內(nèi)摩擦角；r、θ分別為極坐標(biāo)。

可以得出，巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)(C、φ)及其所處的應(yīng)力環(huán)境(雙向載荷比值P1/P3)決定了回采巷道塑性區(qū)邊界范圍。因此，在圍巖力學(xué)性質(zhì)一定的條件下，巷道圍巖塑性區(qū)的形態(tài)特征及范圍取決于巷道雙向載荷比值P1/P3的大小。

2.2 巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)特征

當(dāng)圍巖的力學(xué)性質(zhì)相同時(shí)，在不同應(yīng)力條件下，巷道圍巖塑性區(qū)會(huì)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征。在均質(zhì)條件下，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬得出的圓形巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)特征如圖2所示。由圖2可得，在相同雙向載荷比值條件下，采用上述2種方法得出的圓形巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)特征基本一致。當(dāng)雙向載荷比值P1/P3=1時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)邊界呈規(guī)則的圓形，如圖3a所示。雙向載荷比值P1/P3增加到1.5時(shí)，塑性區(qū)邊界呈橢圓形，并且長軸和P3方向一致，如圖3b所示。當(dāng)雙向載荷比值P1/P3達(dá)到2.5時(shí)，塑性區(qū)邊界輪廓呈蝶形，塑性區(qū)最大尺寸在P1和P3夾角的平分線附近，如圖3c所示。

圖3 不同雙向載荷比值下均質(zhì)圓形巷道圍巖塑性 區(qū)理論計(jì)算和數(shù)值模擬形態(tài)特征Fig.3 Morphological feature of plastic zone of homogeneous circular roadway under different load ratios by theoretical calculation and numerical simulation

已有研究表明[3]，蝶形塑性區(qū)對(duì)巷道圍巖最大邊界載荷的變化具有方向性。當(dāng)巷道圍巖最大邊界載荷的方向發(fā)生變化時(shí)，塑性區(qū)蝶葉位置會(huì)隨之偏轉(zhuǎn)，如圖4所示(圖中紅色為塑性區(qū))。

圖4 蝶形塑性區(qū)的方向性Fig.4 Directivity of butterfly shape plastic zone

3 特厚煤層回采巷道塑性區(qū)演化規(guī)律

3.1 模型的建立

結(jié)合千秋礦21141工作面煤層頂?shù)装鍡l件，建立大尺寸數(shù)值計(jì)算模型(圖5)，長×寬×高為1 000 m×1 550 m×950 m。模型中煤層傾角為12°，沿x軸和y軸正方向分別為工作面的傾向和推進(jìn)方向。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，千秋礦最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力分別為19.5、10.0、17.9 MPa[18]；模型邊界條件為：四周均固定水平方向位移，底面固定垂直和水平方向位移，上部為自由面，模型僅受重力作用。數(shù)值計(jì)算基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。模擬煤層開采過程實(shí)行分步開挖，工作面開挖順序依次為21101工作面、21121工作面、21181工作面、21201工作面和21141工作面(圖6)，巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在工作面推進(jìn)400 m時(shí)，巷道沖擊破壞事故較為嚴(yán)重，因此，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，21141工作面開挖長度為400 m。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Numerical calculation model

圖6 工作面開挖順序示意Fig.6 Numerical simulation on working face mining sequence

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

由于義馬煤田煤層頂板廣泛分布著礫巖，該巖層厚度大、完整性好且抗變形能力強(qiáng)，煤層開采后不易破斷垮落，從而導(dǎo)致大面積懸頂。這不僅造成采空區(qū)周邊煤體出現(xiàn)應(yīng)力集中，而且還使得采空區(qū)頂板容易積聚彈性能。已有研究表明，千秋礦煤層頂板礫巖厚度約為600 m，工作面開采后地表沉降量均較小，平均值分別為1.54 m和0.34[19]。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，沒有考慮工作面開挖后采空區(qū)垮落巖體力學(xué)特性對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場的影響。

3.2 特厚煤層采動(dòng)應(yīng)力場特征

煤層的采出必然造成煤壁前方產(chǎn)生應(yīng)力集中，即形成支承壓力。相較于分層開采，特厚煤層采用放頂煤開采對(duì)采場圍巖的擾動(dòng)影響范圍更大，超前支承壓力峰值位置前移，且應(yīng)力集中系數(shù)較高，可達(dá)2.0～3.5[20-21]，如圖7所示。

σ1、σ2、σ3—最大、中間、最小主應(yīng)力；γ—覆巖容重；H—埋深圖7 放頂煤開采工作面前方煤體應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of coal body in front of top-coal caving working face

大量理論研究和工程實(shí)踐表明，采動(dòng)應(yīng)力集中是巷道大變形、沖擊破壞、煤與瓦斯突出等災(zāi)害的主要誘發(fā)因素之一[22-23]，并且塑性區(qū)形態(tài)和巷道所處的應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)，因此為獲得特厚煤層回采巷道塑性區(qū)演化規(guī)律，有必要掌握特厚煤層開采引起的采動(dòng)應(yīng)力場特征。

21141工作面開挖后，沿運(yùn)輸巷軸向提取工作面前方100 m范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及最大主應(yīng)力與x軸的夾角，如圖8所示。

圖8 工作面前方主應(yīng)力、最大主應(yīng)力與x軸夾角Fig.8 Principal stress and angle between maximum principal stress and x-axis

根據(jù)圖8可以看出，工作面前方最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的變化趨勢(shì)差異較大。隨著到工作面距離的增加，最大主應(yīng)力呈現(xiàn)先急劇增大然后逐漸減小的趨勢(shì)，并且最大主應(yīng)力曲線斜率越來越小，最大主應(yīng)力在距離工作面15 m處達(dá)到峰值，為38.03 MPa，而該位置的最小主應(yīng)力為14.87 MPa，最大主應(yīng)力是其2.56倍。由于煤層頂板厚度大且抗變形能力強(qiáng)，采空區(qū)頂板懸而不沉，造成工作面前方最大主應(yīng)力明顯大于原巖應(yīng)力。同時(shí)，隨著到工作面距離的增大，最大主應(yīng)力方向與x軸夾角也逐漸增大，但是增速逐漸放緩，在距離工作面5 m處夾角為84.12°，距離工作面100 m處增大至89.69°。

3.3 特厚煤層回采巷道塑性區(qū)演化規(guī)律

為了分析特厚煤層回采巷道塑性區(qū)演化規(guī)律，根據(jù)千秋礦21141工作面運(yùn)輸巷工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立拱形巷道塑性區(qū)數(shù)值計(jì)算模型，尺寸為80 m×80 m×1 m(圖9)，模型四周均為固定邊界，豎直方向和水平方向分別施加邊界載荷P1、P3，P1和P3可根據(jù)圖8確定，模型中煤層傾角為12°。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖9 拱形巷道數(shù)值計(jì)算模型Fig.9 Numerical calculation model of arch roadway

根據(jù)工作面前方主應(yīng)力場分布規(guī)律，當(dāng)21141工作面推進(jìn)距離分別為400、450、465、485 m時(shí)，分別計(jì)算同一位置的塑性區(qū)特征，據(jù)此可以得出回采巷道圍巖塑性區(qū)的演化規(guī)律(圖10)。

圖10 回采巷道塑性區(qū)演化規(guī)律Fig.10 Evolution law of mining roadway plastic zone

由圖10可得，隨著工作面的推進(jìn)，處于同一位置的巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)特征不斷發(fā)生變化，其兩肩角持續(xù)向深部擴(kuò)展，塑性區(qū)由不規(guī)則形態(tài)逐漸演化為蝶形。當(dāng)工作面推進(jìn)400 m時(shí)，距離工作面100 m處的巷道塑性區(qū)呈對(duì)稱分布且形態(tài)不規(guī)則。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，即工作面到該位置的距離不斷減小，巷道兩肩角的塑性區(qū)開始向圍巖深部擴(kuò)展，而頂板和底板塑性區(qū)深度變化卻不明顯，該位置的塑性區(qū)形態(tài)在工作面推進(jìn)465 m演化為蝶形。當(dāng)工作面推進(jìn)485 m，即該位置到工作面的距離是15 m時(shí)，雙向載荷比值P1/P3為2.56，塑性區(qū)蝶葉尺寸進(jìn)一步增大，在肩角處向深部擴(kuò)展，并且蝶葉方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

工作面推進(jìn)400 m時(shí)，距離工作面80 m處的巷道塑性區(qū)的形態(tài)和距離為100 m處一樣，也呈對(duì)稱分布且不規(guī)則。當(dāng)工作面推進(jìn)450 m，即該位置到工作面的距離為30 m時(shí)，巷道兩肩角處的塑性區(qū)深度明顯增大，而頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍變化較小，塑性區(qū)形態(tài)呈蝶形；當(dāng)工作面推進(jìn)465 m，即該位置距離工作面15 m時(shí)，塑性區(qū)蝶葉尺寸進(jìn)一步增大，并且發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這表明工作面的回采使得回采巷道區(qū)域應(yīng)力場(主應(yīng)力的大小、方向)發(fā)生了改變，回采巷道塑性區(qū)的形態(tài)特征、最大尺寸及其方向等也隨之變化。

4 結(jié) 論

1)塑性區(qū)形態(tài)特征與雙向載荷比值有關(guān)。當(dāng)圍巖的力學(xué)性質(zhì)相同時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)的形態(tài)特征與應(yīng)力條件密切相關(guān)。當(dāng)雙向載荷比值不大時(shí)，塑性區(qū)形態(tài)呈圓形或橢圓形，雙向載荷比值達(dá)到某一值時(shí)，塑性區(qū)形態(tài)呈蝶形。

2)在采動(dòng)應(yīng)力影響下，回采巷道區(qū)域主應(yīng)力場的大小和方向?qū)l(fā)生改變。最大主應(yīng)力沿回采巷道軸向呈先急劇增大后逐漸減小的趨勢(shì)，并且在距離工作面15 m處達(dá)到峰值。隨著到工作面距離的增大，最大主應(yīng)力與x軸夾角逐漸增大并接近于豎直方向，最小主應(yīng)力則在距離工作面約25 m處達(dá)到最大后緩慢減小。

3)工作面前方回采巷道塑性區(qū)的形態(tài)特征與區(qū)域主應(yīng)力場的大小和方向密切相關(guān)。隨著工作面的推進(jìn)，同一位置到工作面的距離逐漸減小，特厚煤層回采巷道塑性區(qū)形態(tài)由不規(guī)則逐漸演化成蝶形，并且塑性區(qū)蝶葉位置會(huì)隨著最大主應(yīng)力方向的變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。研究成果可為特厚煤層開采方案設(shè)計(jì)、回采巷道支護(hù)參數(shù)確定等提供理論依據(jù)。