陳憲偉，石 媛，呂 振

（1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046102；2.山西省科技資源與大型儀器開放共享中心，山西 太原 030006；3.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

回采巷道圍巖受到上區(qū)段采空區(qū)高應(yīng)力影響，應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致回采巷道圍巖控制愈加困難。在回采過程中，巷道垂直應(yīng)力得到釋放，幫部一定范圍內(nèi)煤體所受垂直應(yīng)力增加，水平應(yīng)力不斷降低，國內(nèi)學(xué)者對采動影響下巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行了一定研究[1-4]。任建慧[5]針對布爾臺煤礦42107 工作面輔運巷受采動影響礦壓顯現(xiàn)劇烈等問題，得到了采動影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并揭示了采動影響下回采巷道圍巖應(yīng)力影響因素及作用機制；鞏志力[6]為了確保采動影響下巷道的穩(wěn)定性，模擬了煤巷開挖圍巖應(yīng)力變化全過程，圍巖應(yīng)力、變形分布情況，以及工作面回采后垂直應(yīng)力分布。結(jié)合前人研究成果，本文通過數(shù)值模擬方法，對常村煤礦S3-7 工作面回采巷道應(yīng)力分布及位移變形規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同回采階段、不同工作面長度下超前巷道垂直應(yīng)力及位移變化規(guī)律，確定采動影響下重點支護(hù)部位。

為更直觀的反映因采動造成的超前支承壓力對沿空巷道圍巖的影響，將S3-7 工作面劃分為兩部分，一部分為150 m 的窄側(cè)工作面，另一部分為220 m 的寬側(cè)工作面，如圖1 所示，分析在6 m 煤柱的前提下，窄側(cè)工作面和寬側(cè)工作面開挖過程中，對巷道圍巖礦壓分布以及超前支承壓力的分布規(guī)律。

圖1 S3-7 工作面平面示意Fig.1 Plane of No.S3-7 Face

1 采動影響下巷道圍巖應(yīng)力分布

1.1 窄側(cè)工作面巷道圍巖應(yīng)力分布

在S3-7 工作面回采過程中，巷道和煤柱內(nèi)會形成超前支承壓力，模擬分析窄側(cè)工作面在回采50 m 情況下超前5 m、超前10 m、超前20 m 和超前25 m 處巷道圍巖應(yīng)力分布特征。

圖2 為巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖，在工作面前方煤柱內(nèi)和巷道實體煤側(cè)應(yīng)力變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，窄煤柱內(nèi)和實體煤側(cè)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力在工作面超前10 m 時達(dá)到最大值，且應(yīng)力值增長迅速，此處礦壓顯現(xiàn)較劇烈，表明工作面在10 m 范圍內(nèi)煤柱及巷道圍巖破碎較嚴(yán)重，超前距離超過15 m 后，工作面支承壓力開始呈現(xiàn)下降趨勢，超前支承壓力的影響逐漸減弱，煤柱及巷道圍巖逐步恢復(fù)承載能力。

圖2 不同超前距離時巷道圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution of roadway surrounding rock at different advance distances

1.2 窄側(cè)工作面巷道圍巖位移分布

圖3 為回采工作面前方不同位置處的巷道圍巖位移曲線。分析曲線可知，巷道圍巖及煤柱變形受工作面回采的影響，隨著距工作面越來越遠(yuǎn)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，煤柱承載能力逐步增強。結(jié)合超前支承壓力云圖可知，窄側(cè)工作面在超前距離較近時礦壓顯現(xiàn)劇烈，但隨著超前距離的增加，越來越靠近寬側(cè)工作面，考慮受寬側(cè)工作面的支撐作用，巷道圍巖位移量降低明顯。

圖3 窄側(cè)工作面前方不同位置處巷道圍巖位移曲線Fig.3 Displacement curve of roadway surrounding rock at different positions in front of narrow side working face

1.3 寬側(cè)工作面巷道圍巖應(yīng)力分布

窄側(cè)工作面回采結(jié)束后，回采工作面寬度由150 m 增加至220 m，由于窄側(cè)工作面在距寬側(cè)工作面范圍較近時，巷道圍巖變形量明顯降低，考慮因為窄側(cè)工作面回采時有部分超前支承壓力會被寬側(cè)工作面超出部分分擔(dān)，應(yīng)力環(huán)境分布可能有所差異，因此對寬側(cè)待回采工作面進(jìn)行超前支承壓力分布規(guī)律分析，此時寬側(cè)工作面的狀態(tài)為三側(cè)完全采空狀態(tài)。

模擬分析寬側(cè)工作面在回采50 m 情況下超前5 m、超前10 m、超前15 m 和超前20 m 處煤柱及巷道圍巖應(yīng)力分布特征，分析窄側(cè)工作面和寬側(cè)工作面應(yīng)力環(huán)境分布差異，如圖4 所示。

圖4 為巷道垂直應(yīng)力分布云圖（曲線為巷道底板提?。?，在工作面距離超前5 m 時，應(yīng)力環(huán)境較窄側(cè)工作面有較大差異，在巷道實體煤側(cè)形成的應(yīng)力集中最大值由33.1 MPa 增長為46.8 MPa，巷道圍巖承載能力較窄側(cè)工作面有明顯增強，且整個過程中應(yīng)力變化較緩和，與窄側(cè)工作面此處礦壓顯現(xiàn)劇烈現(xiàn)象表現(xiàn)出較明顯差異。工作面超前距離大于10 m 后，煤柱內(nèi)及巷道實體煤側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)降低趨勢，受工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力影響范圍與窄側(cè)工作面類似。

1.4 寬側(cè)工作面巷道圍巖位移分布

圖5 為寬側(cè)工作面前方不同位置處的巷道圍巖位移曲線。結(jié)合窄側(cè)工作面整體圍巖變形變化趨勢分析，對比可知寬側(cè)工作面回采巷道圍巖變形受采動造成的超前支承壓力影響下變化較輕緩，煤柱及巷道圍巖整體強度提高，在工作面超前5 m 至超前30 m 的范圍內(nèi)，位移量整體變化趨勢不如窄側(cè)工作面變化明顯，考慮為寬側(cè)工作面所處狀態(tài)為三側(cè)采空狀態(tài)，應(yīng)力環(huán)境在窄側(cè)工作面回采結(jié)束后逐步趨于均勻，而窄側(cè)工作面應(yīng)力環(huán)境受寬側(cè)工作面影響，應(yīng)力分布不規(guī)律，導(dǎo)致其巷道圍巖變形量變化差異較大。

2 采動影響下采場內(nèi)超前支承壓力分布

圖6 表示了S3-7 工作面在回采45、135、215、和295 m 時宏觀采場內(nèi)應(yīng)力環(huán)境分布規(guī)律。

圖6 回采后采場內(nèi)應(yīng)力環(huán)境分布Fig.6 Distribution of stress environment in mining field after mining

（1）在回采45 m、135 m 的過程中，在實體煤邊緣產(chǎn)生了超前支承壓力，在采空區(qū)邊緣呈扇形分布，且在寬側(cè)工作面凹出的部分出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，表明窄側(cè)工作面在回采時，在窄側(cè)工作面與寬側(cè)工作面相鄰的三角區(qū)，其受到的超前支承壓力會有一部分被寬側(cè)工作面凹出區(qū)域分擔(dān)，使此三角區(qū)的巷道圍巖變形減小，易進(jìn)行巷道圍巖控制。

（2）在回采215 m 和295 m 過程中，此時回采寬側(cè)工作面區(qū)域的狀態(tài)為三側(cè)臨空，左側(cè)為6 m窄煤柱，右側(cè)為30 m 寬煤柱，因此工作面在靠近窄煤柱的應(yīng)力集中值明顯高于寬煤柱側(cè)，同樣在窄煤柱側(cè)超前支承壓力影響范圍也明顯偏廣。

（3）回采結(jié)束后，工作面中心區(qū)域覆巖觸底壓實，應(yīng)力逐步恢復(fù)到原巖應(yīng)力。在窄煤柱下拐點處應(yīng)力集中最大，兩側(cè)上區(qū)段采空區(qū)受二次采動影響，產(chǎn)生了二次應(yīng)力集中?；夭晒ぷ髅鎳鷰r應(yīng)力擾動較大，需要超前支護(hù)。

3 結(jié)論

（1）隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力峰值呈增長趨勢，但增長趨勢較小。在巷道實體煤側(cè)深處約10 m 處達(dá)到支承應(yīng)力峰值，側(cè)向影響范圍約55 m，在超前支承壓力的影響范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出先升高后下降再升高的趨勢，工作面超前支承壓力受采動影響也較大。

（2）在采動影響下，寬側(cè)工作面回采巷道圍巖變形變化趨勢較輕緩，在工作面超前5 m 至超前30 m 的范圍內(nèi)，位移量整體變化趨勢不如窄側(cè)工作面變化明顯。

（3）分析不同回采階段、不同工作面長度下超前巷道垂直應(yīng)力及位移變化規(guī)律，確定采動影響下重點支護(hù)部位。該研究可為類似礦井提供參考。