黃義亮，和 寧

(1.陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713600；2.陜西能源投資股份有限公司煤業(yè)分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)煤炭需求量的增加，煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度逐漸加大。由于淺部煤炭資源的枯竭，煤炭開(kāi)始由淺部開(kāi)采逐漸變?yōu)樯畈块_(kāi)采，開(kāi)始進(jìn)入深部開(kāi)采階段[1-4]。在深部開(kāi)采條件下，工作面回采巷道不僅面臨著高地應(yīng)力影響，同時(shí)受到巷道掘進(jìn)、工作面回采等多重強(qiáng)擾動(dòng)應(yīng)力作用，巷道圍巖極易出現(xiàn)持續(xù)性大變形等非穩(wěn)態(tài)破壞特征，進(jìn)而引發(fā)一系列動(dòng)力災(zāi)害。為解決深部開(kāi)采條件下巷道圍巖穩(wěn)定性控制的難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞深部回采巷道圍巖變形破壞規(guī)律開(kāi)展了大量的研究工作[5-9]。

其中，王衛(wèi)軍等[10]應(yīng)用理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了采動(dòng)影響下底板動(dòng)態(tài)變形破壞特征及應(yīng)力分布規(guī)律，認(rèn)為超前支承壓力在底板中的傳遞對(duì)圍巖應(yīng)力分布的顯著影響是底板巷道破壞的根本原因；張玉鵬等[11]采用理論分析、數(shù)值模擬和相似模擬相結(jié)合的研究方法，綜合確定了大采高綜采條件下深部特厚煤層的巷道圍巖破壞深度；顧士坦等[12-15]采用理論分析方法研究了深部巷道圍巖變形的影響因素，并通過(guò)數(shù)值模擬探討了不同生產(chǎn)地質(zhì)條件下巷道圍巖塑性破壞分布規(guī)律，結(jié)合灰色度分析方法確定影響巷道圍巖變形破壞程度的3個(gè)主要因素分別為開(kāi)采深度、堅(jiān)硬頂板厚度、煤層厚度。

目前針對(duì)深部開(kāi)采回采巷道圍巖變形規(guī)律研究較少，且相關(guān)研究往往不具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。因此，以陜西彬長(zhǎng)胡家河煤礦402102工作面運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，采用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法，分析深部綜放工作面回采巷道圍巖變形破壞規(guī)律。

1 巷道變形影響因素

1.1 工程背景

胡家河煤礦位于陜西省咸陽(yáng)市西北部，彬長(zhǎng)礦區(qū)中北部，礦井主采4號(hào)煤層，煤層厚度為0.8～26.2 m，平均厚度23 m，煤層平均傾角小于5°，平均埋深680 m，采用分層放頂煤開(kāi)采方法。以4號(hào)煤層402102工作面運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，402102工作面共設(shè)計(jì)3條巷道，分別為運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和泄水巷，巷道布置如圖1所示。402102工作面采用走向長(zhǎng)壁分層綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，回采煤層厚度14.0 m，其中割煤設(shè)計(jì)高度3.5 m，放頂煤高度10 m，設(shè)計(jì)采放比為1∶3。

圖1 402102工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 402102 working face

1.2 巷道變形破壞影響因素分析

1.2.1 影響因素

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合理論分析，進(jìn)而明確深部回采巷道變形破壞主要影響因素包括應(yīng)力環(huán)境和開(kāi)采方式。

應(yīng)力環(huán)境：胡家河煤礦工作面的開(kāi)采深度達(dá)680 m，是目前彬長(zhǎng)礦區(qū)開(kāi)采深度最大的礦井。地應(yīng)力較高，造成巷道周邊處于復(fù)雜的深部應(yīng)力環(huán)境中；并且隨著開(kāi)采深度的增加，構(gòu)造應(yīng)力顯著增加。構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性，主要體現(xiàn)在水平應(yīng)力方面，而國(guó)內(nèi)外的研究表明，水平應(yīng)力是巷道頂?shù)装遄冃纹茐牡闹饕蛩亍?/p>

開(kāi)采方式：胡家河煤礦采用后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法，放煤設(shè)計(jì)高度10 m，設(shè)計(jì)采放比為1∶3，由于一次性的最大采出厚度達(dá)到13.5 m，工作面上巖層活動(dòng)范圍及對(duì)回采巷道的影響范圍必然擴(kuò)大。

1.2.2 破壞特征

基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)調(diào)研結(jié)果，確定402102工作面回采巷道表現(xiàn)出以下的變形破壞特征。即隨著工作面回采，回采巷道會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，“煤炮”頻繁發(fā)生，局部巷道漏頂嚴(yán)重，巷道出現(xiàn)底鼓，甚至導(dǎo)致皮帶移架、掘進(jìn)機(jī)位移等現(xiàn)象，回采巷道圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)了一定的不利影響。因此，開(kāi)展深部開(kāi)采巷道圍巖變形破壞規(guī)律研究，對(duì)于回采巷道圍巖的災(zāi)害防治具有積極的意義。

2 巷道圍巖變形破壞規(guī)律分析

為進(jìn)一步明確受采動(dòng)影響深部開(kāi)采巷道圍巖變形破壞規(guī)律，以402102工作面運(yùn)輸巷為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬分析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，探究工作面回采期間巷道圍巖變形破壞特征。

2.1 模型的建立

建立如圖2所示FLAC3D數(shù)值模型，模擬模型尺寸為610 m×1 500 m×130 m。為提高計(jì)算精度，在402102工作面運(yùn)輸巷附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，X方向上每格代表1 m，Y方向上每格代表5 m。同時(shí)在模型的四周各邊界上施加水平約束，設(shè)置頂部為自由邊界，限制底部邊界位移。在模型頂部施加15 MPa的垂直載荷以模擬上覆巖層的自重，側(cè)壓系數(shù)取1.2，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬模型Fig.2 Model of FLAC3D numerical simulation

2.2 巷道圍巖塑性變形破壞規(guī)律

為了研究采動(dòng)影響下402102工作面運(yùn)輸巷圍巖變形破壞規(guī)律，對(duì)工作面回采期間距工作面不同距離的巷道圍巖塑性區(qū)變化進(jìn)行了模擬，同時(shí)分析其破壞變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 回采期間巷道圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)Fig.3 Distribution of plastic zone of roadway surrounding rock during mining

由圖3可知，在402102工作面回采過(guò)程中，工作面前方巷道圍巖塑性區(qū)范圍隨著距工作面距離的減小而逐漸變大，且巷道圍巖破壞形式由剪切破壞逐漸變?yōu)槔炱茐模辉诰喙ぷ髅媲胺?0 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道位于應(yīng)力集中區(qū)，巷道圍巖破壞情況愈加嚴(yán)重。為更直觀地表示出工作面回采期間巷道圍巖塑性區(qū)分布的變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)分析圖3中塑性區(qū)破壞范圍進(jìn)而得到距工作面不同距離的巷道圍巖塑性區(qū)變化，如圖4所示。

由圖4可知，巷道頂板和兩幫塑性區(qū)分布范圍均隨距工作面距離的增大而減小，距離工作面越近，則塑性區(qū)范圍越大，頂板塑性區(qū)最大范圍達(dá)2.5 m，底板塑性區(qū)為1.5 m，兩幫塑性區(qū)為2 m。

總體而言，巷道圍巖塑性破壞主要發(fā)生在距離工作面前方10 m范圍內(nèi)，此時(shí)巷道圍巖發(fā)生較大范圍的變形破壞，圍巖變形破壞特征明顯，且采動(dòng)影響下巷道頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)破壞程度大于兩幫，煤柱側(cè)圍巖塑性破壞大于煤壁側(cè)圍巖。

圖4 距工作面不同距離的巷道圍巖塑性區(qū)變化Fig.4 Changes of plastic zone of roadway surrounding rock at different distances from working face

3 回采巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 觀測(cè)方案

由上述分析可知，隨著工作面逐漸向前回采，巷道圍巖逐漸發(fā)生變形破壞，距離工作面越近則圍巖變形破壞程度更加明顯。從科學(xué)角度來(lái)講，單獨(dú)采用數(shù)值模擬方法具有片面性，不能很好地解釋深部巷道圍巖發(fā)生大變形破壞的原因，因此需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐進(jìn)行圍巖變形破壞情況觀測(cè)，綜合研究工作面回采影響下巷道圍巖變形破壞規(guī)律。基于402102工作面回采巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件，在402102工作面運(yùn)輸巷頂板及兩幫分別布置深基點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)方案布置如圖5所示。

圖5 巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案Fig.5 On-site monitoring scheme of roadway surrounding rock deformation

3.2 巷道頂板圍巖變形規(guī)律分析

由圖6可知，運(yùn)輸巷頂板圍巖位移整體上呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，距離煤壁越近，巷道頂板圍巖位移量越大。在距離工作面120 m范圍內(nèi)，巷道圍巖受到回采擾動(dòng)影響明顯，距離巷道側(cè)圍巖8 m和4 m范圍內(nèi)圍巖位移量逐漸增大；在距離工作面10～20 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖位移變形達(dá)到最大值，最大離層量約10 mm。

圖6 運(yùn)輸巷頂板圍巖位移變化曲線Fig.6 Displacement curve of surrounding rock of roof of transportation roadway

3.3 巷道兩幫圍巖變形規(guī)律分析

由圖7可知，運(yùn)輸巷兩幫圍巖位移整體上呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，距離煤壁越近，巷道煤柱側(cè)圍巖位移量越大。在距離工作面前方60 m范圍內(nèi)，受采動(dòng)影響下距離巷道煤柱側(cè)圍巖位移量逐漸增大，最大離層量達(dá)13 mm，在距離工作面100 m范圍外，圍巖位移變化程度很小。而對(duì)于煤壁側(cè)圍巖來(lái)說(shuō)，在距離工作面100 m范圍內(nèi)，煤壁側(cè)圍巖位移開(kāi)始呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在工作面前方趨于穩(wěn)定，圍巖位移量較小，最大離層量達(dá)4 mm。

圖7 運(yùn)輸巷兩幫圍巖位移變化曲線Fig.7 Displacement curve of surrounding rock of two sides of transport roadway

綜上，在工作面回采期間沿402102工作面走向方向可將運(yùn)輸巷圍巖變形劃分為3個(gè)階段。在距離工作面100～120 m范圍外，圍巖位移變化相對(duì)很小，圍巖基本不受工作面超前采動(dòng)影響；在距離工作面60～100 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖位移變化出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，開(kāi)始受工作面超前采動(dòng)影響，且巷道頂板圍巖受采動(dòng)影響大于兩幫圍巖，煤柱側(cè)采動(dòng)影響范圍大于煤壁側(cè)圍巖；在距離工作面10～20 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖位移變形達(dá)到最大值，巷道圍巖變形破壞明顯。

4 結(jié)論

(1)隨著距回采工作面距離的逐漸減小，回采巷道圍巖變形破壞程度逐漸增大，在距工作面前方10 m范圍內(nèi)時(shí)，圍巖塑性破壞范圍最大，巷道圍巖變形破壞特征明顯。

(2)深部開(kāi)采條件下，受開(kāi)采擾動(dòng)影響巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性破壞程度不同，其中頂板塑性區(qū)最大分布范圍達(dá)2.5 m，底板塑性區(qū)達(dá)1.5 m，兩幫塑性區(qū)最大達(dá)2 m，巷道頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)破壞程度大于兩幫，而煤柱側(cè)圍巖塑性破壞大于煤壁側(cè)圍巖，在工作面回采期間應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注頂板及煤柱幫圍巖的變形破壞。

(3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，明確了402102工作面運(yùn)輸巷圍巖采動(dòng)影響范圍。巷道頂板圍巖受回采擾動(dòng)影響范圍較大，而兩幫受回采擾動(dòng)影響范圍相對(duì)較小，且煤柱側(cè)采動(dòng)影響范圍大于煤壁側(cè)，符合數(shù)值模擬所得巷道圍巖變形破壞規(guī)律。