趙俊生，張 琪，聶百勝，李祥春

(中國礦業(yè)大學(北京)應急管理與安全工程學院，北京 100083)

煤炭資源是我國資源結構的重要組成部分，在我國能源結構中占很大比例。目前，我國煤炭資源多采用井工開采方式，回采巷道絕大多數(shù)布置在煤層中，巷道圍巖強度較低，由于回采工作面開采活動的影響，巷道圍巖破碎嚴重，變形明顯，嚴重影響了礦井運輸、通風、行人等方面的高效安全[1]。

巷道圍巖變形實質(zhì)上是受外界作用力影響引起巷道圍巖尺寸、形狀改變，從而產(chǎn)生一系列支護和生產(chǎn)方面的問題[2]。為了解決回采巷道圍巖變形失穩(wěn)問題，許多專家學者對此展開了研究。KASTNER通過把摩爾庫倫強度準則和經(jīng)典彈塑性力學理論相結合，并假設巖石碎脹系數(shù)為0，推導出了經(jīng)典的Kastner公式，認為在雙向等壓條件下圓形巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)為圓形[3]。趙志強等[4]則以Kastner公式為理論基礎，建立了雙向非等壓條件下圓形巷道圍巖變形規(guī)律公式，認為該條件下巷道圍巖產(chǎn)生類似于蝴蝶的蝶形塑性區(qū)。王成等[5]認為巷道圍巖在其采動應力作用下具有明顯變形破壞特征，并表現(xiàn)出明顯的階段性和分區(qū)破壞特征。陳登紅等[6]針對高水平應力賦存條件工作面回采巷道認為隨著埋深、回采動壓的增加，巷道圍巖徑向應變將經(jīng)歷“淺部拉伸到深部零應變”到“拉壓交替分布”再到“非線性大應變”的變形過程。袁越等[7]針對回采巷道圍巖變形問題，建立了動壓條件下圓形巷道力學模型，并在此基礎上推導出了巷道圍巖的變形破壞邊界公式。

針對巷道圍巖變形規(guī)律研究雖然取得了一定成果，但大多數(shù)研究成果基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行理論分析，并未結合工程實際進行分析。本文以冀中能源峰峰集團大淑村礦工作面煤體為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗，理論分析礦山壓力等環(huán)境因素對工作面回采巷道圍巖變形的影響，揭示了礦山壓力等環(huán)境因素對工作面回采巷道的影響機制，同時通過軸向壓縮實驗進一步驗證了礦山壓力對煤體力學性質(zhì)的影響機制，對研究工作面巷道圍巖變形規(guī)律具有重要的參考價值和良好的工程應用前景。

1 工程背景

冀中能源峰峰集團大淑村礦位于河北省邢臺市武安市，井田走向長7 km，傾斜寬2.5 km，面積約14.5 km2。該礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，一般厚5.5 m，局部煤層厚度略有變化，略有夾矸。本文以大淑礦2號煤層172104工作面巷道圍巖為研究背景，172104工作面南起F9(H=120 m)區(qū)域大斷層，北至SF11(H=18 m)斷層，工作面走向長452.5～605.5 m，平均走向長529 m，傾向長127.8 m，面積67 606.2 m2，平均煤層厚度5.4 m。該煤層工作面煤質(zhì)較為松軟，巷道頂板下沉和煤壁片幫現(xiàn)象嚴重，巷道斷面收縮嚴重，巷道圍巖變形嚴重。工作面回采巷道變形實測圖如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形實測圖Fig.1 Surrounding rock deformation of roadway

2 工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律監(jiān)測

2.1 工作面測點布置及方法

大淑村礦2號煤層工作面回采巷道圍巖變形明顯，工作面掘進期間往往需要擴幫臥底；工作面回采期間，距離工作面一定范圍內(nèi)，頂?shù)装?、巷幫變形量大，且變形速度很快，一定范圍之外，變形量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。因此，選取距離工作面100 m范圍作為重點觀察區(qū)域，每隔10 m布置一個測點，每天測量一次巷道高度、寬度變化情況；距離工作面100～300 m范圍，每隔20 m布置一個測點，每5天測量一次巷道高度、寬度變化情況；距離工作面300 m之外，每隔50 m布置一個測點，每10天測量一次巷道高度、寬度變化情況。

隨著工作面推進，原來處于100～300 m范圍的測點會成為100 m以內(nèi)測點，當進入100 m范圍后，無需新增測點，而是將該測點測量周期調(diào)整至每天測量1次，以此類推，直至工作面回采結束。當遇到臥底或擴幫作業(yè)后，測點相應數(shù)據(jù)重新測量，作為30 m擴幫區(qū)域圍巖流變特性分析數(shù)據(jù)。172104工作面回采工作剛剛開始，測點布置如圖2所示。100 m以內(nèi)每隔10 m布置1個測點；100～300 m每隔20 m布置1個測點；300 m之外每隔50 m布置1個測點。

圖2 172104工作面測點布置圖Fig.2 The 172104 working face measuring point layout

172104工作面回采巷道斷面形狀基本呈矩形形狀，因此，針對斷面設計測量點，測點基本覆蓋全斷面。同時，由于進風巷(皮帶)存在一條運煤皮帶，占據(jù)巷道寬度2/3位置，檢修班經(jīng)常開動皮帶檢修，造成皮帶巷難以得到完整數(shù)據(jù)?；仫L巷道人為擾動較少，斷面測量較為可行。選擇寬度方向3個點測量高度、高度方向3個點測量寬度，保證數(shù)據(jù)具有代表性，具體如圖3所示。圖3中2#、6#、13#為工作面回風巷道測點，A-B間距為靠近頂板的兩幫間距，C-D間距為兩幫的中心距，E-F間距為靠近底板側兩幫間距；1-4間距為靠近回采工作面煤壁頂?shù)装彘g距，2-5間距為頂?shù)装逯行木啵?-6間距為靠近工作面外幫的頂?shù)装彘g距(受版面限制，本文僅選取巷道中心對稱監(jiān)測點數(shù)據(jù))。

圖3 回采巷道斷面測點圖Fig.3 Measuring point of mining roadway section

2.2 工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律

工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律的研究對于探究大淑村礦煤巖特性、指導工作面回采巷道擴幫臥底、支護以及煤與瓦斯突出預防等都具有重要意義。為了研究大淑村礦工作面煤體流變特性規(guī)律，通過對172104工作面回風巷道斷面變形規(guī)律的現(xiàn)場監(jiān)測并進行分析，現(xiàn)場連續(xù)實測工作面煤體對稱測點形變數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可以看出，172104回風巷道斷面上各對稱測點的距離隨著時間的推移呈逐漸減小趨勢，距離工作面較近的巷道斷面上對稱測點的距離減小的越快，曲線下降斜率較大，表明距離工作面較近的巷道形變量較大；而離工作面較遠的斷面，形變曲線下降趨勢較平穩(wěn)，巷道對稱測點距離減小量較小且均勻變化?？傮w來講，距離回采工作面越近，回采巷道受采動應力場和原巖應力場疊加作用越明顯，礦山壓力顯現(xiàn)比較明顯，巷道斷面形變量比較大。

另外，監(jiān)測期間內(nèi)，回采巷道斷面累積最大形變量為1.015 m，最小形變量為0.127 m；相同時間內(nèi)同一斷面不同測點的變化量也不一樣，從13#測點縱斷面上各測點的距離變化曲線可以推斷距離工作面較近距離會有一些較大的波動。由于巷道受到原巖應力和采動擾動應力的影響，巷道圍巖受到擠壓變形，各測點的距離就會越來越近，根據(jù)支撐梁理論測點3-4和測點C-D分別位于縱斷面和橫斷面的中間，因此受到的擠壓作用力大，變形量也就越大。而縱斷面距離工作面較近時，由于巷道變形對礦井生產(chǎn)、行人安全等影響較大，應根據(jù)實際情況及時進行臥底和巷道支護。

煤體長期受采動作用影響，將會產(chǎn)生不同程度上的變形、破壞及損傷[8]，距離工作面不同位置煤體形變量具有很大的不同，為了研究工作面釆動作用對于巷道變形的影響規(guī)律，選取與距離工作面不同的2#測點、5#測點、9#測點、13#測點從橫縱兩個斷面進行形變量對比分析，圖5為4個不同斷面橫向、縱向形變量隨工作面推進過程的變化曲線。

圖4 回采巷道對稱測點形變實測圖Fig.4 Measured deformation of symmetric measuring points in mining roadway

圖5 巷道不同斷面測點的變形量隨時間變化曲線Fig.5 Deformation curves of different sections of roadway with time

由圖5可以看出，隨著時間的增加，橫縱斷面各對稱測點距離累積變化量總體上呈增大趨勢。由圖5(a)可以看出，隨著時間變化各個時間點基本上變形量13#測點>9#測點>5#測點>2#測點，主要是由于任何一個時間點距工作面的距離依次為13#測點<9#測點<5#測點<2#測點，距離工作面越近，受采動擾動的影響越大；從時間上也可以看出，隨著時間推移任何一個測點距工作面的距離也越來越近，受采動擾動影響就越大，表現(xiàn)在圖上就是隨著時間的增加，y軸變形量也越來越大。圖5(b)也基本上印證了這個結果。圖上橫斷面最大變形量為13#測點的1.050 m，最小形變量為2#測點的0.296 m；縱斷面的最大變形量為13#測點的0.858 m，最小形變量為2#測點的0.309 m。

根據(jù)工作面支撐應力曲線理論可知，隨著工作面推進，導致煤層頂板應力向工作面前方移動，使距離工作面較近的巷道斷面承受更大的頂板壓力。同時在釆動擾動過程中，工作面前方煤體裂隙產(chǎn)生與擴展，在頂板壓力作用下，巷道靠近工作面一側形變量增大，片幫現(xiàn)象突出，這兩種因素綜合作用，使離工作面較近的巷道斷面形變量較大。表現(xiàn)出距離工作面10 m測點斷面變形量明顯大于距離250 m測點斷面變形量。

3 巷道圍巖變形規(guī)律影響因素分析

3.1 周期來壓對巷道圍巖變形規(guī)律的影響

工作面回采工作開始之后，工作面后方形成采空區(qū)，隨著回采工作面不斷向前推進，采空區(qū)上覆巖層頂板懸露跨距不斷增。當基本頂懸露達到極限跨距時，基本頂斷裂從而導致工作面采空區(qū)上覆巖層急劇下沉，工作面支架呈現(xiàn)受力急劇增大的現(xiàn)象，稱為基本頂?shù)某醮蝸韷?。基本頂初次來壓之后，回采工作面繼續(xù)向前推進，頂板再一次斷裂造成采場支架承受巨大壓力。隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)上覆巖層會經(jīng)歷“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的周而復始的變化過程，這種周而復始的變化使得工作面呈現(xiàn)周期性變化的周期來壓[9-10]。一般來說，煤巖體的流變性質(zhì)隨時間的不斷變化呈現(xiàn)出不同形式的增大現(xiàn)象，因此，工作面煤巖體的變形失穩(wěn)甚至破壞是一個時間與空間的動態(tài)發(fā)展過程[4,11]。而煤巖體的流變性質(zhì)受到礦山壓力顯現(xiàn)的明顯作用，周期來壓等礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象將造成煤巖體長時間持續(xù)變形，導致煤巖體產(chǎn)生嚴重的大變形和破壞失穩(wěn)。

為此，選取離工作面較近的巷道斷面作為研究對象，結合現(xiàn)場實測巷道形變量與工作面礦山壓力數(shù)據(jù)，研究分析近工作面斷面形變與礦壓變化之間的相互關系。圖6為回采巷道測點的煤體變形量與支架礦山壓力隨時間變化曲線。

由圖6可以看出，支架礦山壓力隨著時間呈周期性變化，即周期來壓，在3月27日和4月26日礦山壓力達到最大值。由圖6可知，周期來壓時間為9 d左右，最大礦壓為28.5 MPa左右，且巷道變形率全部為正值，巷道變形量隨時間的延長而逐漸增大。在3月26日左右，即測試時間5 d左右時，礦山壓力即將達到峰值，巷道變形率也隨之達到峰值，表明此時巷道變形受周期來壓影響變形速度達到最大，變形情況最為嚴重。在4月5日左右，工作面迎來第二次周期來壓，此時巷道變形速度與之前相同，巷道變形速度最快，變形情況最為嚴重。隨著工作面繼續(xù)向前推進，測點距離工作面越近，巷道圍巖受采動影響也越為明顯，巷道變形速度持續(xù)增加，巷道變形量持續(xù)增大。

圖6 測點的變形量和變形率與周期來壓隨時間變化曲線Fig.6 Deformation and deformation rate and periodic pressure curves of measuring points with time

3.2 巷道圍巖變形力學影響機制分析

本文采用的煤樣是取自大淑村礦，在實驗室將其制作成直徑50 mm和長度100 mm的圓柱形型煤，成型壓力在100～120 MPa之間，使得制成的型煤的力學性質(zhì)和原煤相近。利用TensonTest程序微機控制電液伺服萬能試驗機對該煤礦型煤進行加載實驗。通過對煤樣進行實驗，煤樣在0.2 mm/min的勻速加載條件下進行加載。根據(jù)實驗結果，得到單軸壓縮條件的不含瓦斯煤樣的應力-應變曲線如圖7所示。

圖7 大淑村礦煤體應力-應變測試曲線Fig.7 Stress-strain curve of coal mass inDashucun coal mine

煤樣在軸向力的作用下，其變形率逐漸增大，且煤樣在軸向應力達到4～5 MPa時出現(xiàn)破碎情況。在軸壓保持一定的情況下，煤巖的抗壓強度和彈性極限會隨著圍壓的增大而增大，這是由于在圍壓的約束下煤巖的容積擴大很困難，因此需要更大的軸壓。由于煤樣是孔隙結構材料，在恒定軸壓的作用下，圍壓的增大加強了煤巖內(nèi)部孔隙的閉合，因此煤巖的彈性模量會增大。在煤巖進入第三階段即塑性變形階段，隨著圍壓的增大，煤樣的強度也會增大，而煤樣的軸向應變也會增大，可能是在這階段，煤樣的內(nèi)部產(chǎn)生了新孔隙和裂隙并且開始大量的發(fā)育，而在軸向逐漸增大到煤樣的屈服極限時，煤樣內(nèi)部的裂紋開始連通形成大的裂隙。圍壓越大，煤樣內(nèi)部的孔隙裂隙被壓縮的越緊密，煤樣的煤粒之間的摩擦力大，增大了煤樣的力學特性。因此，當?shù)V山壓力變大時而逐漸達到煤體的屈服極限時，巷道圍巖變形量也逐漸增大，圍巖變形嚴重。

4 結 論

1) 大淑村礦巷道圍巖變形明顯，設置不同位置測點監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装寮皟蓭椭行木嘧冃瘟孔畲?，圍巖受疊加應力場的影響變形破壞最為嚴重。

2) 回采巷道圍巖變形量受采動擾動影響極為明顯，回采工作面不同位置巷道圍巖變形量不同，距離回采工作面越近，巷道煤體圍巖形變量越大，反之，圍巖變形量較小。

3) 巷道圍巖變形量受周期來壓影響明顯，周期來壓達到峰值時，圍巖變形速度最快，隨著時間的推進，巷道圍巖變形量逐漸增大；礦山壓力會改變煤體的力學性質(zhì)，當?shù)V山壓力逐漸達到煤體的屈服極限時，圍巖變形量也逐漸增大，圍巖變形嚴重。