王 震

(同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016)

采掘交鋒問題是目前煤礦開采過程中最為常見的問題［1－3］，巷道開挖后，原有的圍巖應力環(huán)境被打破，在沒有采動影響的靜壓狀態(tài)下，巷道支護相對容易，一旦受到相鄰采場采動的影響，原本平衡的應力狀態(tài)被打破，已掘巷道的支護系統(tǒng)面臨著相鄰采場側向支撐壓力的考驗，極易發(fā)生冒頂事故。因此，為了減小這種側向支撐壓力的影響，很多礦區(qū)采用幾十米寬的煤柱［4，5］，造成了煤炭資源不同程度的浪費，當煤層厚度較大時，這種“大煤柱”造成的資源浪費更為嚴重。

本文以同煤集團晉華宮礦12－3#層301盤區(qū)8107工作面為研究對象，利用巖土工程專用數(shù)值模擬軟件 FLAC3D［6，7］探索研究厚煤層在留設小煤柱時采掘交鋒過程中圍巖的應力變化規(guī)律，為巷道合理支護方案的設計提供依據(jù)。

1 工程概況

8107工作面北部為12－3#層301盤區(qū)5109(未掘巷道)，東部至12－3#層301盤區(qū)軌道巷，南部為正在回采的12－3#層301盤區(qū)8105工作面，西部為實體，也是巷道掘進方向。根據(jù)生產安排，在8105工作面回采過程中，需要開掘8107工作面的5107巷道，5107巷道與2105巷道間煤柱寬度12 m，采掘巷道平面位置圖見圖1。

圖1 采掘巷道平面位置圖

12－3#煤層平均埋深 325 m，厚度 2.0 ～6.09 m，平均4.05 m，結構較復雜，普含一層夾石，呈“楔狀”分布，傾角2°～6°，平均4°。老頂為細砂巖及砂質頁巖，厚9.34 m，上部為黑灰色細砂巖，下部為黑色砂質頁巖，致密狀結構。直接頂為灰黑色細砂頁，成分以石英長石為主，次有黑色礦物，含炭質物質中薄層砂質頁巖，下部水平波狀層理較發(fā)育與上層成過渡狀接觸，厚2.10 m。底板為深灰色砂質頁巖，致密狀結構，巖層厚度較大。根據(jù)地質勘查結果，該層煤體沒有明顯的構造應力，圍巖應力以自重應力為主。

5107巷道斷面形式為矩形，寬4.5 m，高2.8 m，設計長度600 m，施工時沿煤層頂板掘進，煤層厚度2.9～3.2 m時，見頂見底掘進;當煤層厚度大于3.2 m時，沿頂留底掘進。

2 采掘交鋒應力變化規(guī)律研究

2.1 模型的建立

采用巖土工程專用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行研究，以煤層下底面中心為原點，x軸正、負方向各取25 m，y方向取單位長度，z軸正方向取30 m，負方向取25 m，煤柱部分為 x=2.25 ～14.25 m 部分，右側14.25～25.0 m范圍內模擬8105面的回采。按平均巖體容重2.5 kN/m3計算，模型上表面施加豎向應力7.0 MPa模擬上部的巖層自重，側壓力系數(shù)取0.5，施加水平應力3.5 MPa，上部自由面，其余5面均采用滑動鉸支座的位移邊界。為了降低計算工作量，又不影響研究效果，采用漸變單元進行網(wǎng)格劃分，巷道周圍單元格劃分較密，向外尺寸逐漸增加，共劃分8 670個單元，17 716個節(jié)點，采掘交鋒時模型見圖2。

圖2 采掘交鋒模型圖

2.2 采掘交鋒前后圍巖應力分析

圍巖應力是決定巷道穩(wěn)定最為重要的因素之一，尤其是對于動壓巷道，準確掌握圍巖應力的變化是采區(qū)及時合理補強支護最為重要的條件，采用 tecplot10.0軟件對采掘交鋒前后圍巖的第一主應力(σ1)和第三主應力(σ3)分布范圍做圖，見圖3，圖4。

由圖3(a)可知，巷道開挖平衡后，由于巷道斷面自身的特性，(σ1)在巷道頂角和底角出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，頂角的最大應力為12 MPa，為底角的1.2倍，但發(fā)生應力集中的范圍較小。因此，支護工作相對較為容易。

圖4 采掘交鋒后圍巖主應力分布圖

由圖3(b)可知，(σ3)的分布與(σ1)則截然相反，巷道開挖后，圍巖表面臨空，垂直于圍巖表面的第三主應力消失，隨著圍巖深度的增加，(σ3)又開始增加。在豎向壓力的作用下，煤體受壓向巷道方向變形，受到阻礙后產生深色的應力升高區(qū)，最大應力為8.5 MPa。

采掘交鋒后，8105工作面上部巖體的荷載被12 m寬煤柱及8107工作面煤體承擔，5107巷圍巖應力升高，頂角最大(σ1)達到15 MPa，見圖4(a)，較采掘交鋒前增加25%，煤柱內部增量(σ1)更為突出，普遍為采掘交鋒前的1.75倍。相對于(σ1)，采掘交鋒對(σ3)的影響較弱。

2.3 采掘交鋒前后圍巖主應力增量分析

為了進一步研究采掘交鋒對圍巖主應力的影響，在巷道左幫、頂板和右?guī)透鬟x擇3條測線，研究圍巖和錨桿組成的錨固體內或附近的主應力變化關系，三條測線距巷道表面距離分別為0.5 m、1.5 m和2.5 m，長度均為相應巷道寬或高的3倍，其平面布置見圖5。

圖5 測線平面布置圖

利用fish函數(shù)提取9條測線上采掘前后的第一和第三主應力值的量值，求解主應力增量，并作出采掘交鋒前后圍巖主應力增量圖，見圖6。

由圖6(a)可知，距巷道表面0.5 m，交鋒前后第一主應力增量波動較大，規(guī)律并不明顯;而距巷道表面1.5 m 和 2.5 m，(σ1)增量變化趨勢基本一致，巷道左幫底角向巷幫中心，增量逐漸從1.2 MPa增加到2.8 MPa，之后基本保持增量不變，而在右?guī)停?σ1)增加量值則先增加后減小，底角、巷幫、頂角(σ1)增量分別為3.77 MPa、5.0 MPa 和2.88 MPa;頂板(σ1)增量從左向右呈波浪狀變化，煤柱內(σ1)增量較大，頂板正上方(σ1)增量較小。

圖6 采掘交鋒前后圍巖主應力增量圖

由圖6(b)可知，距圍巖表面0.5 m范圍內，(σ3)增量變化不大，甚至在巷幫及頂板中部，(σ3)出現(xiàn)了負值，即8105工作面的回采引起5105巷道淺部圍巖中第三主應力的降低。圍巖支護的最終目的就是增加其內部的第三主應力，依此提高圍巖的承載力［8］，可見，采掘交鋒在增加巷道淺部圍巖第一主應力的同時，降低了支護體的有效性。

此外，對比圖6(a)，(b)可以看出，巷道頂板上部及靠煤柱側的頂角，采掘交鋒后的第一主應力均有不同程度的增加，最大增量達到4.78 MPa，而第三主應力基本沒增加，反而有不同程度的降低，因此，采掘交鋒過程中，應多注意這兩部位圍巖的變化，做好及時地防護工作。

3 結論

1)巷道開挖平衡后，頂角和底角出現(xiàn)了范圍較小的第一主應力集中現(xiàn)象，頂角最大應力為12 MPa，為底角的1.2倍;第三主應力則隨著圍巖深度的增加逐漸增大，在煤幫深部達到最大值8.5 MPa。

2)采掘交鋒過程中，巷道淺部圍巖第一主應力增量波動較大，從巷幫中部向兩側(σ1)增量先增加后減小，而在頂板出現(xiàn)了3 m左右的緩增長區(qū)。

3) 距巷道表面1.5 m 和2.5 m，(σ1)增量變化趨勢基本一致，巷道左幫底角向巷幫中心，增量逐漸從1.2 MPa增加到2.8 MPa，之后基本保持增量不變，而在右?guī)停?σ1)增加量值則先增加后減小，頂板(σ1)增量從左向右呈波浪狀變化，煤柱內(σ1)增量較大，頂板正上方(σ1)增量較小。

4)巷道頂板上部及靠煤柱側的頂角，采掘交鋒后的第一主應力均有不同程度的增加，最大增量達到4.78 MPa，而第三主應力基本沒增加，反而有不同程度的降低。因此，采掘交鋒過程中，應多注意這兩部位圍巖的變化，做好及時地防護工作。

［1］郜進海，康天合，靳鐘銘，等.巨厚薄層狀頂板回采巷道圍巖裂隙演化規(guī)律的相似模擬試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(19):3292－3298.

［2］侯圣權，靖洪文，楊大林.動壓沿空雙巷圍巖破壞演化規(guī)律的試驗研究［J］.巖土工程學報，2011，33(2):265－268.

［3］郝進海.薄層狀巨厚復合頂板回采巷道錨桿錨索支護理論及應用研究［D］.太原:太原理工大學，2005:7－9.

［4］謝廣祥，楊 科，劉全明.綜放面傾向煤柱支承壓力分布規(guī)律研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(3):545－549.

［5］韓承強.不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖結構及變形機理研究［D］.山東:山東科技大學，2007:3－5.

［6］何滿潮，王曉義，劉文濤，等.孔莊礦深部軟巖巷道非對稱變形數(shù)值模擬與控制對策研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(4):673－678.

［7］汪成兵.均質巖體中隧道圍巖破壞過程的試驗與數(shù)值模擬［J］.巖土力學，2012，33(1):103－108.

［8］侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究［J］.巖石力學與工程學報，2000，19(3):342－345.