智國軍 霍曉林 程葉

摘 要：以1105工作面為研究對象，分析了采空區(qū)側(cè)壓圍巖變形破壞機理，采用RFPA對1105工作面推采到200m、400m、600m時工作面巷道及煤柱變形破壞情況進行分析，通過主應(yīng)力圖和聲發(fā)射圖以及不同推進度時頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量，分析得到采空側(cè)壓和超前支承壓力增加幅度大是巷道圍巖變形量大主因。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);側(cè)壓;穩(wěn)定性;變形破壞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.090

臨近采空區(qū)開掘的巷道會受到采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，使得巷道在開掘過程中出現(xiàn)強烈的礦壓顯現(xiàn)。巷道圍巖在側(cè)向支承壓力的作用下容易形成應(yīng)力集中區(qū)，圍巖由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，巷道圍巖出現(xiàn)變現(xiàn)破壞，容易出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓等災(zāi)害，影響礦井的安全生產(chǎn)。因此，對于采空區(qū)側(cè)壓影響下巷道圍巖變形規(guī)律的研究，確定影響巷道變形破壞的因素，分析圍巖變形破壞的規(guī)律，為礦井后續(xù)的支護工作提供理論基礎(chǔ)，為工作面的安全回采提供保障。

1 工作面概況

1105工作面位于軌道下山以東;北側(cè)為已回采結(jié)束的1103工作面，中間煤柱為6m;南側(cè)及北側(cè)為實體煤。工作面主采1號煤層，平均厚度1.60m，平均傾角9°。1105工作面和1103工作面采空區(qū)之間僅有 6m煤柱，造成1105工作面在臨近大采空區(qū)的環(huán)境下進行開采，因此1105工作面開采時受采空側(cè)壓影響容易發(fā)生變形失穩(wěn)。

2 采空區(qū)側(cè)壓圍巖變形機理

當(dāng)工作面相鄰僅有一個采空區(qū)時，上覆巖層斷裂的深度較小，工作面沿空側(cè)形成較小的懸臂結(jié)構(gòu)，采空區(qū)上部巖層的力通過懸臂結(jié)構(gòu)向工作面沿空巷道一側(cè)轉(zhuǎn)移，由于巷道布置在低應(yīng)力的環(huán)境中，應(yīng)力增加的不明顯，暫時圍巖不會發(fā)生變形破壞;當(dāng)工作面相鄰有兩個或多個采空區(qū)時，上覆巖層斷裂的深度大，工作面沿空側(cè)形成大的懸臂結(jié)構(gòu)，采空區(qū)上部巖層的力通過懸臂結(jié)構(gòu)向工作面沿空巷道一側(cè)轉(zhuǎn)移，會造成大懸臂結(jié)構(gòu)的突然斷裂，應(yīng)力全部向巷道上部轉(zhuǎn)移，會發(fā)生巖層側(cè)向失穩(wěn)造成巷道圍巖變形破壞，其破壞機理如圖1所示。

圖中，G1增大，即巷道邊緣的巖層厚度增大，傳遞到巷道上的力增大，同等條件下，緩沉帶下降大，傳遞到巖層上的力增加。

式中：G1—轉(zhuǎn)移到懸臂結(jié)構(gòu)的力;

yn—巖層傳遞力;

Ki—采空區(qū)承載力。

當(dāng)相鄰有兩個（多個）采空區(qū)時，隨著開采的進行，上覆巖層破壞的深度越來越大，則yn不斷的增大，而Ki幾乎不會產(chǎn)生變化，造成懸臂結(jié)構(gòu)承載的力突然的增大，發(fā)生斷裂。當(dāng)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)突然斷裂時，造成應(yīng)力突變式增大，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到巷道煤柱側(cè)的深度增大，應(yīng)力破壞范圍大，能量足，形成巷道失穩(wěn)變形破壞。

由圖2懸臂結(jié)構(gòu)未斷裂時支承壓力分布圖和懸臂結(jié)構(gòu)斷裂時支承壓力分布圖可以看出，當(dāng)懸臂結(jié)構(gòu)斷裂，應(yīng)力突變增大，影響范圍變大，峰值范圍變大，使巷道處于高應(yīng)力區(qū)，從而對巷道產(chǎn)生破壞。

3 采空區(qū)測壓影響范圍數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

采用RFPA對1105工作面推采到200m、400m、600m時側(cè)向支承壓力及巷道圍巖變形進行數(shù)值模擬，通過對主應(yīng)力、聲發(fā)射和應(yīng)力分布曲線和巷道圍巖變形曲線的總結(jié)和研究，分析工作面推采到不同距離時軌道順槽應(yīng)力及巷道變形情況。以1105工作面地質(zhì)條件設(shè)定材料參數(shù)建立50 m×50 m×40 m模型，模型垂直方向施加5MPa載荷，材料參數(shù)如表 1 所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖3為1105工作面推采到200m、400m、600m時工作面巷道及煤柱變形破壞主應(yīng)力圖和發(fā)射圖。

由圖3可知，隨著工作面向前推進，巷道圍巖由于應(yīng)力集中開始出現(xiàn)變形破壞。根據(jù)工作面推采到200m時主應(yīng)力圖可知，集中應(yīng)力主要出現(xiàn)在煤柱和巷道兩側(cè)，隨著時間的推移，煤柱兩側(cè)集中應(yīng)力變小，其主要原因是工作面推采導(dǎo)致煤柱變形破壞，應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移。根據(jù)聲發(fā)射圖可知，聲發(fā)射主要出現(xiàn)在煤柱內(nèi)和靠近煤柱側(cè)巷道底板，隨著時間的推移，聲發(fā)射逐漸減小，說明工作面向前推采導(dǎo)致煤柱和巷道底板出現(xiàn)圍巖變形破壞的現(xiàn)象，其主要變形為巷道出現(xiàn)底鼓和煤柱側(cè)幫內(nèi)移。

由圖可知，隨著工作面推進距離的增大，巷道主應(yīng)力和聲發(fā)射破壞程度和影響范圍增大。但是其變形破壞規(guī)律與工作面推采到200m時相似，煤柱和巷道底板出現(xiàn)變形破壞情況。

4 不同推采度巷道及煤柱變形破壞分析

表2為采用RFPA模擬軟件模擬2309工作面推采到200m、400m和600m時軌道順槽變形量數(shù)據(jù)表。

由表2可知，工作面推采到200m、400m和600m時，軌道順槽頂?shù)装搴蛢蓭途霈F(xiàn)了較大變形，并且以底板底鼓和兩幫移近為主，其中煤柱側(cè)煤幫變形量和煤柱側(cè)底板底鼓最為嚴(yán)重。其中400m處頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量分別是200m處的1.27倍、1.30倍、1.23倍和1.24倍;而600m處頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量分別只是400m處的1.02倍、1.04倍、1.02倍和1.04倍。

5 結(jié)論

（1）以1105工作面為研究對象，分析了采空區(qū)側(cè)壓圍巖變形破壞機理，工作面沿空側(cè)形成大的懸臂結(jié)構(gòu)，容易形成應(yīng)力集中，當(dāng)集中的應(yīng)力突然釋放會造成巖層側(cè)向失穩(wěn)造成巷道圍巖變形破壞。

（2）采用RFPA對1105工作面推采到200m、400m、600m時工作面巷道及煤柱變形破壞情況進行分析，得出巷道不同推采度時巷道圍巖變形破壞應(yīng)力圖。并通過不同推進度時頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量，分析得到采空側(cè)壓和超前支承壓力增加幅度大是巷道圍巖變形量大主因。

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作者簡介：智國軍（1988-），男，山西大同人，本科，助理工程師，技術(shù)主管，從事巷道掘進技術(shù)管理工作。