任建喜，張衛(wèi)軍，張 琨，景 帥

(西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

煤層在回采過(guò)程中，由于地質(zhì)構(gòu)造、埋深、開采環(huán)境以及開采方法的差異，導(dǎo)致回采工作面周圍的應(yīng)力分布情況以及回采動(dòng)壓的影響范圍有較大的區(qū)別。因此國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)此做了大量的研究：王金華[1]等通過(guò)試驗(yàn)及模擬研究了對(duì)特厚煤層進(jìn)行綜放開采時(shí)煤體頂部“三帶”的分布情況及受力特點(diǎn)。楊培舉[2]等運(yùn)用滑移線理論分析了層理、節(jié)理及軟、硬煤煤體破壞的力學(xué)機(jī)理，并采用塑性滑移線理論確定了煤壁片幫的破壞范圍。苗磊剛[3]等利用相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了大采高采動(dòng)引起的上覆巖層變形破壞現(xiàn)象。胡千庭[4]等利用MTS伺服試驗(yàn)系統(tǒng)分析了不同破壞程度下堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度與圍巖的二次函數(shù)關(guān)系。張建國(guó)[5]通過(guò)對(duì)超千米深井采動(dòng)影響的研究認(rèn)為超千米深井采動(dòng)影響范圍達(dá)到70m且采動(dòng)裂隙分維隨煤層的采動(dòng)保持在較高水平。高明忠[6]等通過(guò)對(duì)采動(dòng)裂隙演化及連通性研究發(fā)現(xiàn)，平煤埋深-580m、層厚3.6m時(shí)，采動(dòng)影響范圍50m。賈后省[7]等從巷道圍巖主應(yīng)力大小、比值和方向三個(gè)方面分析了采動(dòng)巷道應(yīng)力特征，認(rèn)為受采動(dòng)影響后主應(yīng)力方向發(fā)生改變會(huì)導(dǎo)致巷道塑性區(qū)發(fā)展為“蝶形”特征。劉金海[8]等通過(guò)對(duì)長(zhǎng)壁采場(chǎng)應(yīng)力演化特征和頂板上覆巖層運(yùn)動(dòng)情況研究，建立了相應(yīng)的動(dòng)、靜態(tài)計(jì)算模型。孟毅[9]通過(guò)對(duì)軟巖巷道受采動(dòng)影響的受力特征研究發(fā)現(xiàn)受采動(dòng)影響后巷道的塑性區(qū)形狀會(huì)發(fā)生較大改變。劉春波[10]對(duì)近距離煤層不同開采條件下形成的采動(dòng)應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究，為相似煤礦的開采提供了重要的參考。

以上學(xué)者對(duì)煤層回采引起的“裂隙帶”、塑性區(qū)、力學(xué)機(jī)理和影響范圍等方面做了大量的研究，但對(duì)深埋特厚煤層開采過(guò)程中的應(yīng)力特征及對(duì)鄰近巷道的影響研究較少，因此本文以陜西小莊礦為工程背景，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)此進(jìn)行研究。

1 工程概況

小莊井田隸屬于陜西中西部，地質(zhì)儲(chǔ)量1161.08Mt，煤炭資源豐富，主要可采的煤層為4號(hào)煤層，可采儲(chǔ)量為607.6Mt，40202工作面井下位于4號(hào)煤層，北部為40203綜采面，隔水煤柱留設(shè)寬度20m，南部為40201綜采面，東部緊鄰大巷保護(hù)煤柱，巷道空間位置如圖1所示。

圖1 巷道空間位置圖

40202回采工作面受小靈臺(tái)背斜影響，地應(yīng)力較集中，煤層埋深約為576～741m，厚度16～19m，40203工作面運(yùn)輸巷寬6m、高4m，沿煤層底板布置，40202工作面在回采過(guò)程中產(chǎn)生的回采動(dòng)壓導(dǎo)致40203工作面運(yùn)輸巷發(fā)生冒頂、幫部大幅收斂、斷錨等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了40203運(yùn)輸巷的正常使用。

2 礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律

煤層回采過(guò)程中引起了應(yīng)力重分布，在工作面前方形成超前支承壓力，在工作面?zhèn)确叫纬晒潭ㄖС袎毫?，由于煤層地質(zhì)條件、埋深、采高、上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)等的不同，不同煤層在回采過(guò)程中產(chǎn)生的支承壓力有所不同。

2.1 回采工作面前后支承壓力的分布

工作面回采后上覆巖層所形成的支承體系為“煤壁—工作面支架—采空區(qū)已冒落矸石”，由于上覆巖層中巖塊出現(xiàn)相互咬合的現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面前方支承壓力明顯增大，后方采空區(qū)所承受壓力有所減小，則形成應(yīng)力不變區(qū)c(穩(wěn)壓區(qū))、應(yīng)力降低區(qū)b(減壓區(qū))和應(yīng)力增大區(qū)a(增壓區(qū))。工作面前后支承壓力分布如圖2所示。

圖2 工作面前后支承壓力分布圖

2.2 回采工作面煤柱支承應(yīng)力的分布

由于回采工作面兩側(cè)情況較為多變，限于篇幅有限，只對(duì)回采工作面一側(cè)為未開采煤層另一側(cè)為采準(zhǔn)巷道的情況進(jìn)行分析，工作面回采后采空區(qū)上覆巖層重量大部分由煤柱承擔(dān)，導(dǎo)致煤柱內(nèi)部一定范圍內(nèi)支承應(yīng)力快速增大，當(dāng)其達(dá)到頂點(diǎn)后開始逐漸降低，采準(zhǔn)巷道的存在使得煤柱內(nèi)部支承應(yīng)力發(fā)生變化，從而使煤柱內(nèi)部支承應(yīng)力出現(xiàn)一高一低“上凸”區(qū)域。工作面煤柱支承應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 工作面煤柱支承壓力分布圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，整體模型參數(shù)按照40202工作面設(shè)計(jì)說(shuō)明書及勘察報(bào)告進(jìn)行。所建立模型尺寸長(zhǎng)×寬×高分別為168m×116m×66m，共90200個(gè)單元，96432個(gè)節(jié)點(diǎn)。研究區(qū)段巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

模型邊界條件采用位移邊界條件，左右及前后邊界限制其水平位移，底部邊界限制其水平及豎向位移，頂部不限制其任何方向位移，巷道埋深為650m，屬于深埋巷道，其地應(yīng)力規(guī)律與淺埋巷道有較大差別，主要表現(xiàn)為水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，根據(jù)勘察資料及計(jì)算，垂直應(yīng)力為14.95MPa，水平應(yīng)力為22.7MPa。將垂直應(yīng)力施加于模型上表面，將水平應(yīng)力施加于模型前后及左右四個(gè)面。

3.2 回采工作面支承應(yīng)力特征

工作面回采過(guò)程中使得其周圍應(yīng)力重新分布，應(yīng)力重新分布情況影響著工作面前方支承壓力的大小以及相鄰巷道的穩(wěn)定性。40202綜放工作面在回采過(guò)程中其周圍煤巖體豎向應(yīng)力分布特征如圖4所示，由圖4可知：

1)工作面前方5～17m出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，呈曲條帶狀，最大豎向應(yīng)力22MPa，應(yīng)力增高系數(shù)為1.57；工作面前方0～5m為應(yīng)力降低區(qū)，最大豎向應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，原因在于此區(qū)域內(nèi)煤體受采動(dòng)影響后裂隙發(fā)育程度較為完整，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量得到進(jìn)一步釋放，使得應(yīng)力減??；工作面前方17～60m范圍內(nèi)應(yīng)力開始減小，工作面前方60m以外，應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力狀態(tài)。

2)工作面?zhèn)确?煤柱區(qū)域)7～13m內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，最大豎向應(yīng)力26MPa，應(yīng)力增高系數(shù)為1.86；工作面?zhèn)确?～7m內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，距工作面越近，應(yīng)力釋放越充分，最大豎向應(yīng)力越小；工作面?zhèn)确?3～20m范圍內(nèi)為應(yīng)力緩慢降低區(qū)，最大豎向應(yīng)力由應(yīng)力增高區(qū)的26MPa逐漸降低至20MPa；工作面?zhèn)确?0～26m為40203運(yùn)輸巷位置，由于40203運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)已經(jīng)使頂板上部圍巖破壞，所以在特厚煤層采動(dòng)影響下40203運(yùn)輸巷上方3m處豎向壓力增加幅度較??；由此可以得知，在工作面前方及側(cè)方應(yīng)力分布情況為應(yīng)力降低區(qū)—應(yīng)力增高區(qū)—原巖應(yīng)力區(qū)，與2.1及2.2小節(jié)理論一致。

圖4 深埋特厚煤層采動(dòng)應(yīng)力特征圖

3.3 采動(dòng)對(duì)鄰近巷道影響

圖5 巷道塑性區(qū)分布圖

巷道掘進(jìn)完成后的塑性區(qū)范圍可以反映出巷道在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)情況以及支護(hù)方案是否能夠有效合理地對(duì)巷道起到加固作用，由圖5(a)可知，巷道掘進(jìn)完成后兩幫塑性區(qū)范圍在0～1.0m。兩幫部分區(qū)域產(chǎn)生了拉伸破壞，部分區(qū)域產(chǎn)生了剪切破壞。受回采動(dòng)壓影響后巷道塑性區(qū)分布如圖5(b)所示，由圖5(b)可知，受回采動(dòng)壓影響后巷道塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，正幫塑性區(qū)寬度由原來(lái)的1.0m擴(kuò)大至3.7m；負(fù)幫塑性區(qū)寬度由原來(lái)的1.0m擴(kuò)大至2.0m。馬念杰[11]分析了不同側(cè)壓力系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況，認(rèn)為非均勻應(yīng)力場(chǎng)系數(shù)大于1時(shí)，塑性區(qū)形狀近似“蝶形”，由上文可知巷道圍巖垂直應(yīng)力為14.95MPa，水平應(yīng)力為22.7MPa，計(jì)算得側(cè)壓力系數(shù)為1.52>1，由圖5可以看出巷道受采動(dòng)影響后塑性區(qū)呈現(xiàn)出近似“蝶形”形狀。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 錨桿受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為反映在40202工作面回采動(dòng)壓影響下40203運(yùn)輸巷應(yīng)力變化特征及變形情況，在40203運(yùn)輸巷內(nèi)布置錨桿應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 錨桿受力圖

由圖6中錨桿受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，錨桿受力過(guò)程主要呈現(xiàn)為“穩(wěn)定期—較慢增長(zhǎng)期—快速增長(zhǎng)期—緩慢增長(zhǎng)區(qū)”四個(gè)階段，當(dāng)回采工作面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)60m以上時(shí)，錨桿受力值處于穩(wěn)定期；當(dāng)回采工作面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)60～40m時(shí)，錨桿受力值開始緩慢增長(zhǎng)，說(shuō)明回采動(dòng)壓的影響范圍已經(jīng)初步到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；隨著回采工作面的持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)回采工作面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)40～0m時(shí)，回采動(dòng)壓影響越來(lái)越劇烈，錨桿受力值開始快速增長(zhǎng)，處于快速增長(zhǎng)區(qū)；當(dāng)回采工作面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，錨桿受力值依舊在增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速率較緩，處于緩慢增長(zhǎng)期。由此可知，與傳統(tǒng)支護(hù)方法相比深埋大采高綜放工作面采動(dòng)影響范圍更大，在對(duì)受此類回采動(dòng)壓影響的相鄰巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，需要更深入地研究其應(yīng)力演化規(guī)律。

4.2 塑性區(qū)范圍分析

為獲取回采動(dòng)壓影響后巷道幫部塑性區(qū)范圍，采用礦用鉆孔窺視儀對(duì)巷道兩幫進(jìn)行觀察，窺視深度8m。40203運(yùn)輸巷正幫不同位置破壞區(qū)探測(cè)圖如圖7所示，由圖7可知，在正幫6m處，巷道圍巖呈連續(xù)性，還未發(fā)生破壞，在4m處，巷道圍巖開始出現(xiàn)破壞區(qū)域，4～0.5m處巷道圍巖呈非連續(xù)性分布，說(shuō)明正幫塑性區(qū)范圍在0.5～4m處，由于巷道幫部發(fā)生大幅收斂，在0～0.5m處圍巖破碎程度高，則0～0.5m處為圍巖破碎區(qū)。

圖7 正幫不同位置破壞區(qū)探測(cè)圖

40203運(yùn)輸巷負(fù)幫不同位置破壞區(qū)探測(cè)圖如圖8所示，由圖8可知，在負(fù)幫6～3m處，巷道圍巖呈連續(xù)性，還未發(fā)生破壞，在2.2m處，巷道圍巖開始出現(xiàn)破壞區(qū)域，2.2～0.5m處巷道圍巖呈非連續(xù)性分布，說(shuō)明負(fù)幫塑性區(qū)范圍在0.5～2.2m處，與正幫一樣，負(fù)幫也發(fā)生較大收斂，在0～0.5m處圍巖破碎程度高，則0～0.5m處為圍巖破碎區(qū)。

圖8 負(fù)幫不同位置破壞區(qū)探測(cè)圖

綜上可知，在特厚煤層采動(dòng)影響下，臨近巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大，越靠近采空區(qū)采動(dòng)對(duì)圍巖影響越大，塑性區(qū)范圍增加幅度也更大；離采空區(qū)較遠(yuǎn)一側(cè)的巷道圍巖，由于巷道的存在起到了一定的卸壓作用，使得采動(dòng)應(yīng)力在傳遞過(guò)程中發(fā)生中斷，對(duì)圍巖影響較小，則塑性區(qū)范圍增加幅度也更小。

5 結(jié) 論

1)小莊礦深埋特厚煤層回采過(guò)程中對(duì)工作面前方產(chǎn)生的采動(dòng)影響范圍達(dá)到60m，在工作面前方5～17m處出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力增高系數(shù)為1.57。工作面?zhèn)确?～13m處出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力增高系數(shù)為1.86。

2)受深埋特厚煤層采動(dòng)影響后，鄰近巷道圍巖塑性區(qū)范圍發(fā)生較大變化，使得整個(gè)巷道圍巖塑性區(qū)呈不對(duì)稱分布，靠近采空區(qū)一側(cè)圍巖塑性區(qū)寬度擴(kuò)大了270%，而距采空區(qū)較遠(yuǎn)一側(cè)圍巖塑性區(qū)寬度只擴(kuò)大了原來(lái)的一倍。

3)深埋特厚煤層比淺埋煤層回采過(guò)程中產(chǎn)生的采動(dòng)影響范圍更深遠(yuǎn)，對(duì)鄰近巷道造成的破壞更顯著。