采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征分析

陳憲偉，石 媛，呂 振

（1.山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102；2.山西省科技資源與大型儀器開(kāi)放共享中心，山西 太原 030006；3.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

回采巷道圍巖受到上區(qū)段采空區(qū)高應(yīng)力影響，應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致回采巷道圍巖控制愈加困難。在回采過(guò)程中，巷道垂直應(yīng)力得到釋放，幫部一定范圍內(nèi)煤體所受垂直應(yīng)力增加，水平應(yīng)力不斷降低，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)采動(dòng)影響下巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行了一定研究[1-4]。任建慧[5]針對(duì)布爾臺(tái)煤礦42107 工作面輔運(yùn)巷受采動(dòng)影響礦壓顯現(xiàn)劇烈等問(wèn)題，得到了采動(dòng)影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并揭示了采動(dòng)影響下回采巷道圍巖應(yīng)力影響因素及作用機(jī)制；鞏志力[6]為了確保采動(dòng)影響下巷道的穩(wěn)定性，模擬了煤巷開(kāi)挖圍巖應(yīng)力變化全過(guò)程，圍巖應(yīng)力、變形分布情況，以及工作面回采后垂直應(yīng)力分布。結(jié)合前人研究成果，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)常村煤礦S3-7 工作面回采巷道應(yīng)力分布及位移變形規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同回采階段、不同工作面長(zhǎng)度下超前巷道垂直應(yīng)力及位移變化規(guī)律，確定采動(dòng)影響下重點(diǎn)支護(hù)部位。

為更直觀的反映因采動(dòng)造成的超前支承壓力對(duì)沿空巷道圍巖的影響，將S3-7 工作面劃分為兩部分，一部分為150 m 的窄側(cè)工作面，另一部分為220 m 的寬側(cè)工作面，如圖1 所示，分析在6 m 煤柱的前提下，窄側(cè)工作面和寬側(cè)工作面開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖礦壓分布以及超前支承壓力的分布規(guī)律。

圖1 S3-7 工作面平面示意Fig.1 Plane of No.S3-7 Face

1 采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力分布

1.1 窄側(cè)工作面巷道圍巖應(yīng)力分布

在S3-7 工作面回采過(guò)程中，巷道和煤柱內(nèi)會(huì)形成超前支承壓力，模擬分析窄側(cè)工作面在回采50 m 情況下超前5 m、超前10 m、超前20 m 和超前25 m 處巷道圍巖應(yīng)力分布特征。

圖2 為巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖，在工作面前方煤柱內(nèi)和巷道實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，窄煤柱內(nèi)和實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力在工作面超前10 m 時(shí)達(dá)到最大值，且應(yīng)力值增長(zhǎng)迅速，此處礦壓顯現(xiàn)較劇烈，表明工作面在10 m 范圍內(nèi)煤柱及巷道圍巖破碎較嚴(yán)重，超前距離超過(guò)15 m 后，工作面支承壓力開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，超前支承壓力的影響逐漸減弱，煤柱及巷道圍巖逐步恢復(fù)承載能力。

圖2 不同超前距離時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution of roadway surrounding rock at different advance distances

1.2 窄側(cè)工作面巷道圍巖位移分布

圖3 為回采工作面前方不同位置處的巷道圍巖位移曲線(xiàn)。分析曲線(xiàn)可知，巷道圍巖及煤柱變形受工作面回采的影響，隨著距工作面越來(lái)越遠(yuǎn)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，煤柱承載能力逐步增強(qiáng)。結(jié)合超前支承壓力云圖可知，窄側(cè)工作面在超前距離較近時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈，但隨著超前距離的增加，越來(lái)越靠近寬側(cè)工作面，考慮受寬側(cè)工作面的支撐作用，巷道圍巖位移量降低明顯。

圖3 窄側(cè)工作面前方不同位置處巷道圍巖位移曲線(xiàn)Fig.3 Displacement curve of roadway surrounding rock at different positions in front of narrow side working face

1.3 寬側(cè)工作面巷道圍巖應(yīng)力分布

窄側(cè)工作面回采結(jié)束后，回采工作面寬度由150 m 增加至220 m，由于窄側(cè)工作面在距寬側(cè)工作面范圍較近時(shí)，巷道圍巖變形量明顯降低，考慮因?yàn)檎瓊?cè)工作面回采時(shí)有部分超前支承壓力會(huì)被寬側(cè)工作面超出部分分擔(dān)，應(yīng)力環(huán)境分布可能有所差異，因此對(duì)寬側(cè)待回采工作面進(jìn)行超前支承壓力分布規(guī)律分析，此時(shí)寬側(cè)工作面的狀態(tài)為三側(cè)完全采空狀態(tài)。

模擬分析寬側(cè)工作面在回采50 m 情況下超前5 m、超前10 m、超前15 m 和超前20 m 處煤柱及巷道圍巖應(yīng)力分布特征，分析窄側(cè)工作面和寬側(cè)工作面應(yīng)力環(huán)境分布差異，如圖4 所示。

圖4 為巷道垂直應(yīng)力分布云圖（曲線(xiàn)為巷道底板提?。?，在工作面距離超前5 m 時(shí)，應(yīng)力環(huán)境較窄側(cè)工作面有較大差異，在巷道實(shí)體煤側(cè)形成的應(yīng)力集中最大值由33.1 MPa 增長(zhǎng)為46.8 MPa，巷道圍巖承載能力較窄側(cè)工作面有明顯增強(qiáng)，且整個(gè)過(guò)程中應(yīng)力變化較緩和，與窄側(cè)工作面此處礦壓顯現(xiàn)劇烈現(xiàn)象表現(xiàn)出較明顯差異。工作面超前距離大于10 m 后，煤柱內(nèi)及巷道實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，受工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力影響范圍與窄側(cè)工作面類(lèi)似。

1.4 寬側(cè)工作面巷道圍巖位移分布

圖5 為寬側(cè)工作面前方不同位置處的巷道圍巖位移曲線(xiàn)。結(jié)合窄側(cè)工作面整體圍巖變形變化趨勢(shì)分析，對(duì)比可知寬側(cè)工作面回采巷道圍巖變形受采動(dòng)造成的超前支承壓力影響下變化較輕緩，煤柱及巷道圍巖整體強(qiáng)度提高，在工作面超前5 m 至超前30 m 的范圍內(nèi)，位移量整體變化趨勢(shì)不如窄側(cè)工作面變化明顯，考慮為寬側(cè)工作面所處狀態(tài)為三側(cè)采空狀態(tài)，應(yīng)力環(huán)境在窄側(cè)工作面回采結(jié)束后逐步趨于均勻，而窄側(cè)工作面應(yīng)力環(huán)境受寬側(cè)工作面影響，應(yīng)力分布不規(guī)律，導(dǎo)致其巷道圍巖變形量變化差異較大。

2 采動(dòng)影響下采場(chǎng)內(nèi)超前支承壓力分布

圖6 表示了S3-7 工作面在回采45、135、215、和295 m 時(shí)宏觀采場(chǎng)內(nèi)應(yīng)力環(huán)境分布規(guī)律。

圖6 回采后采場(chǎng)內(nèi)應(yīng)力環(huán)境分布Fig.6 Distribution of stress environment in mining field after mining

（1）在回采45 m、135 m 的過(guò)程中，在實(shí)體煤邊緣產(chǎn)生了超前支承壓力，在采空區(qū)邊緣呈扇形分布，且在寬側(cè)工作面凹出的部分出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，表明窄側(cè)工作面在回采時(shí)，在窄側(cè)工作面與寬側(cè)工作面相鄰的三角區(qū)，其受到的超前支承壓力會(huì)有一部分被寬側(cè)工作面凹出區(qū)域分擔(dān)，使此三角區(qū)的巷道圍巖變形減小，易進(jìn)行巷道圍巖控制。

（2）在回采215 m 和295 m 過(guò)程中，此時(shí)回采寬側(cè)工作面區(qū)域的狀態(tài)為三側(cè)臨空，左側(cè)為6 m窄煤柱，右側(cè)為30 m 寬煤柱，因此工作面在靠近窄煤柱的應(yīng)力集中值明顯高于寬煤柱側(cè)，同樣在窄煤柱側(cè)超前支承壓力影響范圍也明顯偏廣。

（3）回采結(jié)束后，工作面中心區(qū)域覆巖觸底壓實(shí)，應(yīng)力逐步恢復(fù)到原巖應(yīng)力。在窄煤柱下拐點(diǎn)處應(yīng)力集中最大，兩側(cè)上區(qū)段采空區(qū)受二次采動(dòng)影響，產(chǎn)生了二次應(yīng)力集中?；夭晒ぷ髅鎳鷰r應(yīng)力擾動(dòng)較大，需要超前支護(hù)。

3 結(jié)論

（1）隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力峰值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較小。在巷道實(shí)體煤側(cè)深處約10 m 處達(dá)到支承應(yīng)力峰值，側(cè)向影響范圍約55 m，在超前支承壓力的影響范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出先升高后下降再升高的趨勢(shì)，工作面超前支承壓力受采動(dòng)影響也較大。

（2）在采動(dòng)影響下，寬側(cè)工作面回采巷道圍巖變形變化趨勢(shì)較輕緩，在工作面超前5 m 至超前30 m 的范圍內(nèi)，位移量整體變化趨勢(shì)不如窄側(cè)工作面變化明顯。

（3）分析不同回采階段、不同工作面長(zhǎng)度下超前巷道垂直應(yīng)力及位移變化規(guī)律，確定采動(dòng)影響下重點(diǎn)支護(hù)部位。該研究可為類(lèi)似礦井提供參考。