焦 彪，賈金兌

(1.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054 )

近年來，隨著煤炭資源需求增加，我國礦井開采深度也逐漸加深，目前正以每年8～12m的速度逐年加深，開始逐漸進入深部開采階段[1，2]。受深部“三高一擾動”的復雜力學環(huán)境影響[3]，深部礦井開采面臨著嚴重的巖石動力失穩(wěn)災害，巖石動力失穩(wěn)災害是發(fā)生在局部的突然性巖石動力顯現(xiàn)現(xiàn)象，破壞性強，很難預測，因此沖擊地壓成為深部開采條件下最嚴重的災害之一。

由于深部力學環(huán)境的復雜性，對于深部沖擊地壓的研究目前還處于初級階段[4]，但也越來越受到國內(nèi)外專家學者的重視。趙志強等[5]以彈塑性力學中孔洞圍巖破壞平面應變模型為基礎(chǔ)，建立了巷道圍巖破壞形態(tài)與非等壓區(qū)域應力場的力學模型，認為雙向非等壓條件下巷道圍巖會產(chǎn)生類似于蝴蝶形狀的蝶形塑性區(qū)；陳上元等[6]采用地質(zhì)分析、物理相似模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研究了深部動壓巷道復合變形力學機制，提出了采動應力造成巷道圍巖應力場大小和方向發(fā)生了改變，是引發(fā)巷道產(chǎn)生非對稱變形的主要因素。針對深部巷道圍巖變形規(guī)律研究雖然已經(jīng)取得了一定的研究成果，但目前仍主要集中于常規(guī)條件下巷道FLAC3D模擬及理論分析等[7-11]，對于深部受沖擊地壓影響的巷道圍巖變形規(guī)律工程實際研究相對較少。因此，以陜西彬長礦業(yè)集團胡家河煤礦402102工作面回風巷為工程背景，采用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，分析了深部堅硬特厚煤層沖擊地壓影響下的巷道圍巖變形規(guī)律，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗進行了驗證，為深部礦井沖擊地壓防治及巷道圍巖變形特征研究提供了理論及實踐工作基礎(chǔ)。

1 礦井概況

胡家河煤礦位于陜西省咸陽市西北部，彬長礦區(qū)中北部。井田主要可采煤層為4#煤層，可采面積47.655km2，煤層厚度一般為10～15.00m，屬大部可采煤層。以4#煤層402102工作面巷道圍巖為研究背景，該工作面可采長度為1793m，傾向長度180m，埋深570～670m，煤層厚度14m，采用分層綜采放頂煤采煤法，割煤設(shè)計高度3.5m，放頂煤高度10m。工作面共設(shè)計四條回采巷道，分別為運輸巷道、回風巷道、高抽巷道和泄水巷道，所研究回風巷道位于工作面東側(cè)，與402103采空區(qū)間煤柱寬度70m，其長度為1885m，矩形斷面凈寬5.4m，凈高3.4m，S凈=18.36m2，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護。

4#煤層上、下分層均具有強沖擊傾向性，頂板也具有弱沖擊傾向性，所屬402102工作面巷道長期受沖擊地壓影響。隨著工作面回采，掘進工作面均會出現(xiàn)強烈的動力顯現(xiàn)現(xiàn)象，“煤炮”頻繁發(fā)生，局部巷道漏頂嚴重，錨桿(索)頻繁拉斷，局部巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，嚴重時甚至導致帶式輸送機支架偏移、掘進機發(fā)生位移等，巷道圍巖變形破壞嚴重，給礦井安全生產(chǎn)帶來了一定的影響。

2 巷道圍巖沖擊破壞機制

巷道圍巖變形主要是由采掘活動造成巷道圍巖應力發(fā)生變化而引起的。在深部高應力環(huán)境開采條件下，隨著采掘活動的進行，巷道周圍煤巖體應力重新分布，巷道圍巖周圍會出現(xiàn)一定的應力集中現(xiàn)象，但整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，承受高應力的頂?shù)装迕簬r體一般不會直接發(fā)生沖擊破壞[12]。只有在采動應力、構(gòu)造應力和自重應力等疊加影響下，巷道圍巖應力開始超過圍巖的承載能力，此時圍巖應力平衡狀態(tài)遭到破壞，在煤巖體深處沖擊震源沖擊波作用下工作面煤體發(fā)生破壞[13]，巷道圍巖瞬間發(fā)生劇烈的變形，進而產(chǎn)生巷道圍巖沖擊地壓破壞[14]。

深部高應力特厚煤層開采時，由于煤體應力分布、地質(zhì)條件等均發(fā)生較大變化，深部巷道圍巖變形也隨之呈現(xiàn)明顯的非線性變化狀態(tài)。巷道圍巖變形主要受工作面超前支承壓力的影響，沿工作面走向超前支承壓力不斷提高，巷道圍巖變形也隨支承壓力提高而不斷增大，兩者分布情況基本一致。而深部圍巖變形較之支承壓力變化具有一定的滯后性，即距離回采工作面較遠時巷道圍巖變形量一般較小，隨著工作面逐漸推進，圍巖所受超前支承壓力提高，圍巖內(nèi)能量逐漸積聚，在距離工作面一定距離時，在多種應力的疊加效應下，煤體能量釋放并迅速失穩(wěn)破壞，巷道圍巖變形呈現(xiàn)迅速增長的狀態(tài)，并在一段時間后達到最大值。

巷道圍巖受采動影響后，受到超前支承壓力的作用，如果將原巖應力看作σ0，則受采動影響后的支承壓力為(1+k)σ0，根據(jù)極限平衡理論可得到受采動后巷道圍巖的塑性區(qū)半徑R及其周邊的位移u[15]：

式中，σ0為原巖應力，MPa；r0為巷道半徑，m；p為支架阻力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；k為應力集中系數(shù)；c為內(nèi)聚力，MPa；G為剪切彈性模量，MPa。

由理論計算和實驗煤巖力學參數(shù)測試結(jié)果可知：σ0=15MPa，r0=2.7m，φ=40°，k=4，c=3.2MPa，G=613MPa，p=15MPa。將各參數(shù)代入計算得，R=3.71m，u=0.058m，即巷道塑性區(qū)寬度為R-r0=0.71m，在錨固區(qū)范圍內(nèi)，表面位移量為58mm，可以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。

從式(1)、式(2)也可以看出，當k>0時，此時圍巖受到超前支承壓力作用，塑性區(qū)半徑和圍巖周邊的位移均增大，當巷道處于應力集中區(qū)時，受到采動應力及構(gòu)造應力等疊加影響，煤巖體所受應力迅速超過自身承載能力，發(fā)生劇烈的沖擊變形破壞。

3 圍巖變形破壞規(guī)律模擬分析

3.1 模型建立

以胡家河煤礦402102工作面回風巷為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析深部沖擊回采巷道圍巖變形破壞規(guī)律。模擬埋深600m，所建模型尺寸為610m×1500m×130m，為提高計算的精度，在巷道附近對網(wǎng)格進行加密，X方向上每格代表1m，Y方向上每格代表5m。在模型豎直方向加載上覆巖層的自重應力15MPa，水平應力為18MPa，并限制模型前、后、左、右和下等五個表面的位移和初速度，同時底面為固定約束，模擬的模型采用基于彈塑性理論的摩爾-庫倫強度準則。模擬煤巖層力學參數(shù)見表1。

表1 模型煤巖層物理力學參數(shù)

模擬煤層巷道埋深達687m，為典型的深部沖擊地壓礦井，其地應力規(guī)律與一般巷道存在明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)為水平應力大于垂直應力。為了在數(shù)值模擬中較為準確地體現(xiàn)巷道地應力規(guī)律，運用從整體到局部的方法，即先建立大邊界模型確定工作面邊界的初始地應力，進而以此為基礎(chǔ)進行巷道周圍區(qū)域的模擬，模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果比較符合。

3.2 巷道圍巖塑性變形規(guī)律分析

為了研究402102工作面受采動影響的巷道圍巖變形破壞規(guī)律，模擬分析了工作面回采期間距離工作面不同距離的巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 回采期間巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

深部巷道圍巖受到的采動影響程度不同，圍巖塑性區(qū)分布也會發(fā)生一定的改變，距離工作面距離越近，塑性區(qū)分布范圍越大，巷道圍巖變形破壞更加嚴重。由圖1可知，在工作面回采采動影響下，工作面前方圍巖塑性區(qū)開始逐漸增大。在距離工作面前方10m范圍內(nèi)時，頂板及煤柱側(cè)圍巖位于應力集中區(qū)，此時圍巖發(fā)生大范圍的塑性變形破壞，破壞深度可達3m，而煤壁側(cè)及底板圍巖由拉伸破壞逐漸轉(zhuǎn)為剪切破壞，但塑性破壞范圍基本穩(wěn)定，最大塑性破壞深度為1m，巷道圍巖產(chǎn)生小幅度的變形破壞。

為通過數(shù)據(jù)直觀表示出回采采動影響下的巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律，針對圖1中塑性區(qū)破壞范圍進行統(tǒng)計分析，得到不同采動影響下的巷道圍巖塑性區(qū)最大破壞范圍，如圖2所示。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)變形破壞規(guī)律

由圖2可知，距離工作面越近，受到采動應力作用越明顯，圍巖塑性區(qū)破壞范圍越大，其中頂板及煤柱側(cè)圍巖位于應力集中區(qū)，圍巖變形破壞深度相對更大。通過對至工作面煤壁不同距離下的巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性區(qū)分布情況進行比較分析，認為回采期間巷道頂板和兩幫塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)出拋物線形式變化，當回采至一定距離時，巷道塑性區(qū)范圍趨于穩(wěn)定，其中巷道頂板最大塑性區(qū)范圍為3m，底板最大塑性區(qū)范圍為0.75m，煤柱幫塑性區(qū)最大范圍為1m，煤壁幫最大塑性區(qū)寬度為0.75m。模擬確定巷道塑性區(qū)范圍為0.75m，與理論計算0.71m結(jié)果基本符合，其中，煤柱幫受采動影響明顯，塑性區(qū)寬度較煤壁側(cè)相對偏大。研究確定，采動影響下回風巷頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)范圍大于兩幫，頂板圍巖塑性范圍大于底板，煤柱側(cè)圍巖塑性范圍大于煤壁側(cè)圍巖。

綜上可得，距離工作面越近，回采強擾動造成巷道圍巖塑性破壞越顯著，在距離工作面前方10m范圍內(nèi)時頂板及煤柱側(cè)圍巖塑性破壞范圍顯著增大，引起巷道圍巖發(fā)生較大范圍的變形破壞，頂板及煤柱側(cè)圍巖沖擊變形破壞特征明顯。

4 巷道圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測

為確定工作面回采巷道沖擊圍巖變形規(guī)律，在402102工作面回風巷頂板及兩幫分別布置深基點位移計并對圍巖變形情況進行了觀測分析。

4.1 巷道兩幫圍巖變形分析

4.1.1 煤壁側(cè)巷幫圍巖變形分析

煤壁側(cè)圍巖變形曲線如圖3所示，由圖3可知：在距離工作面80m范圍外，巷道煤壁側(cè)圍巖位移變化很小，基本不受采動影響；在距離工作面80m范圍內(nèi)時，開始受到工作面超前采動影響，巷道圍巖變形程度逐漸增大；在距離工作面10～45m范圍內(nèi)時，巷道圍巖變形開始呈現(xiàn)較大幅度增長，圍巖位于應力集中區(qū)內(nèi)，煤壁側(cè)圍巖受工作面采動影響劇烈。

圖3 煤壁側(cè)圍巖變形曲線

4.1.2 煤柱側(cè)巷幫圍巖變形分析

煤柱側(cè)圍巖變形曲線如圖4所示，由圖4可知：在距離工作面80m范圍外，圍巖位移變化很小，此時煤柱側(cè)圍巖基本不受工作面超前采動影響；在距離工作面80m范圍內(nèi)時，圍巖位移出現(xiàn)小幅度增長，此時開始受到超前采動影響，巷道圍巖開始出現(xiàn)一定程度變形；在距離工作面55m范圍內(nèi)，圍巖位移逐漸呈現(xiàn)較大幅度增長趨勢，圍巖位于應力集中區(qū)，此時煤柱側(cè)圍巖受工作面采動影響劇烈。

圖4 煤柱側(cè)圍巖變形曲線

對比分析可以得出，留設(shè)45m區(qū)段煤柱條件下，回采巷道煤柱側(cè)圍巖變形影響范圍大于煤壁側(cè)圍巖，且煤壁側(cè)煤體發(fā)生一定的相對位移，而煤柱側(cè)圍巖3.5m范圍內(nèi)煤體均發(fā)生了一定程度的變形，深部圍巖變形相對更為明顯。整體上來說，巷道煤柱側(cè)與煤壁圍巖最大圍巖變形量達80mm，兩幫變形趨于可控的穩(wěn)定范圍內(nèi)。

4.2 巷道頂板圍巖變形分析

在分析回采采動影響下巷道煤柱側(cè)及煤壁側(cè)圍巖變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，以所測頂板圍巖深基點位移，針對所測頂板圍巖變形情況進行比較分析，確定工作面回采采動影響范圍及其頂板圍巖變形特征，如圖5所示。

圖5 頂板圍巖變形曲線

由圖5可知：在距離工作面145～160m范圍外，圍巖位移變化很小，此時頂板圍巖基本不受工作面超前采動影響；在距離工作面145～160m范圍內(nèi)時，圍巖位移呈現(xiàn)較大幅度增長，此時圍巖位于應力集中區(qū)，受工作面超前采動影響；在距離工作面80m范圍內(nèi)，回風巷頂板測點圍巖變化程度偏小，圍巖變形趨于平緩，巷道圍巖變形穩(wěn)定，受超前支護及卸壓工程等的綜合作用，巷道頂板圍巖維護狀況良好。其中，兩側(cè)點頂板圍巖位移增幅基本一致，兩者變形規(guī)律基本相似，最大圍巖位移量分別達到180mm和110mm，區(qū)別是頂板圍巖分別在距離巷幫8m和4m范圍內(nèi)以及4m和2.5m范圍內(nèi)的煤體出現(xiàn)一定程度的相對位移，表明頂板圍巖最大離層破壞現(xiàn)象深度在4m左右，總體圍巖變形趨于穩(wěn)定，具體受地質(zhì)條件及支護工程等多種因素影響。

以上所測數(shù)據(jù)均為巷道在實施超前支護及爆破卸壓的基礎(chǔ)上，其中實際測所得巷道兩幫表面相對位移量分別為27mm和53mm，煤柱側(cè)實測與理論計算結(jié)果57mm基本相符，而煤壁側(cè)位移量偏小，表明巷道超前卸壓等工程效果良好，較好滿足了安全生產(chǎn)需要。

綜上可得，沿402102工作面走向可將回風巷圍巖變形在回采期間可劃分為三個階段：①無采動影響階段，在距離工作面前方145～160m范圍以外的區(qū)域，該階段回風巷基本不受采動影響，巷道維護狀況良好；②采動影響階段，在距離工作面前方145～160m范圍內(nèi)時，由于受到工作面超前支承壓力的影響，巷道圍巖變形量出現(xiàn)較大幅度增長，其中在距離工作面前方80～100m范圍內(nèi)時，受超前支護及卸壓工程等措施，巷道頂板圍巖變形基本趨于平緩；③采動影響劇烈階段，在距離工作面超前45～55m范圍內(nèi)時，煤柱側(cè)及煤壁側(cè)圍巖位移均開始出現(xiàn)較大幅度增長，煤柱側(cè)采動影響范圍大于煤壁側(cè)圍巖，此時圍巖位于應力集中區(qū)，受工作面采動影響劇烈。

5 結(jié) 論

1)回采巷道圍巖受回采強擾動作用影響明顯，距離工作面越近，受到采動影響越大，巷道圍巖變形程度越大，反之，則圍巖變形程度越小。

2)深部堅硬特厚煤層開采條件下，受沖擊地壓作用圍巖變形也具有突變性，往往在回采至一定距離時，多種應力疊加引發(fā)沖擊性圍巖變形破壞，圍巖變形迅速增長。

3)在留設(shè)45m區(qū)段煤柱條件下，回采巷道頂板圍巖受回采擾動影響范圍較大，兩幫受回采擾動影響范圍較小，且煤柱側(cè)采動影響大于煤壁側(cè)。