深埋特厚煤層采動應力特征及對鄰近巷道影響研究

任建喜，張衛(wèi)軍，張 琨，景 帥

(西安科技大學，陜西 西安 710054)

煤層在回采過程中，由于地質(zhì)構(gòu)造、埋深、開采環(huán)境以及開采方法的差異，導致回采工作面周圍的應力分布情況以及回采動壓的影響范圍有較大的區(qū)別。因此國內(nèi)許多學者對此做了大量的研究：王金華[1]等通過試驗及模擬研究了對特厚煤層進行綜放開采時煤體頂部“三帶”的分布情況及受力特點。楊培舉[2]等運用滑移線理論分析了層理、節(jié)理及軟、硬煤煤體破壞的力學機理，并采用塑性滑移線理論確定了煤壁片幫的破壞范圍。苗磊剛[3]等利用相似模擬實驗研究了大采高采動引起的上覆巖層變形破壞現(xiàn)象。胡千庭[4]等利用MTS伺服試驗系統(tǒng)分析了不同破壞程度下堅硬頂板強度與圍巖的二次函數(shù)關(guān)系。張建國[5]通過對超千米深井采動影響的研究認為超千米深井采動影響范圍達到70m且采動裂隙分維隨煤層的采動保持在較高水平。高明忠[6]等通過對采動裂隙演化及連通性研究發(fā)現(xiàn)，平煤埋深-580m、層厚3.6m時，采動影響范圍50m。賈后省[7]等從巷道圍巖主應力大小、比值和方向三個方面分析了采動巷道應力特征，認為受采動影響后主應力方向發(fā)生改變會導致巷道塑性區(qū)發(fā)展為“蝶形”特征。劉金海[8]等通過對長壁采場應力演化特征和頂板上覆巖層運動情況研究，建立了相應的動、靜態(tài)計算模型。孟毅[9]通過對軟巖巷道受采動影響的受力特征研究發(fā)現(xiàn)受采動影響后巷道的塑性區(qū)形狀會發(fā)生較大改變。劉春波[10]對近距離煤層不同開采條件下形成的采動應力分布特征進行了研究，為相似煤礦的開采提供了重要的參考。

以上學者對煤層回采引起的“裂隙帶”、塑性區(qū)、力學機理和影響范圍等方面做了大量的研究，但對深埋特厚煤層開采過程中的應力特征及對鄰近巷道的影響研究較少，因此本文以陜西小莊礦為工程背景，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對此進行研究。

1 工程概況

小莊井田隸屬于陜西中西部，地質(zhì)儲量1161.08Mt，煤炭資源豐富，主要可采的煤層為4號煤層，可采儲量為607.6Mt，40202工作面井下位于4號煤層，北部為40203綜采面，隔水煤柱留設寬度20m，南部為40201綜采面，東部緊鄰大巷保護煤柱，巷道空間位置如圖1所示。

圖1 巷道空間位置圖

40202回采工作面受小靈臺背斜影響，地應力較集中，煤層埋深約為576～741m，厚度16～19m，40203工作面運輸巷寬6m、高4m，沿煤層底板布置，40202工作面在回采過程中產(chǎn)生的回采動壓導致40203工作面運輸巷發(fā)生冒頂、幫部大幅收斂、斷錨等現(xiàn)象，嚴重影響了40203運輸巷的正常使用。

2 礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律

煤層回采過程中引起了應力重分布，在工作面前方形成超前支承壓力，在工作面?zhèn)确叫纬晒潭ㄖС袎毫?，由于煤層地質(zhì)條件、埋深、采高、上覆巖層物理力學性質(zhì)等的不同，不同煤層在回采過程中產(chǎn)生的支承壓力有所不同。

2.1 回采工作面前后支承壓力的分布

工作面回采后上覆巖層所形成的支承體系為“煤壁—工作面支架—采空區(qū)已冒落矸石”，由于上覆巖層中巖塊出現(xiàn)相互咬合的現(xiàn)象，導致工作面前方支承壓力明顯增大，后方采空區(qū)所承受壓力有所減小，則形成應力不變區(qū)c(穩(wěn)壓區(qū))、應力降低區(qū)b(減壓區(qū))和應力增大區(qū)a(增壓區(qū))。工作面前后支承壓力分布如圖2所示。

圖2 工作面前后支承壓力分布圖

2.2 回采工作面煤柱支承應力的分布

由于回采工作面兩側(cè)情況較為多變，限于篇幅有限，只對回采工作面一側(cè)為未開采煤層另一側(cè)為采準巷道的情況進行分析，工作面回采后采空區(qū)上覆巖層重量大部分由煤柱承擔，導致煤柱內(nèi)部一定范圍內(nèi)支承應力快速增大，當其達到頂點后開始逐漸降低，采準巷道的存在使得煤柱內(nèi)部支承應力發(fā)生變化，從而使煤柱內(nèi)部支承應力出現(xiàn)一高一低“上凸”區(qū)域。工作面煤柱支承應力分布如圖3所示。

圖3 工作面煤柱支承壓力分布圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行模擬，整體模型參數(shù)按照40202工作面設計說明書及勘察報告進行。所建立模型尺寸長×寬×高分別為168m×116m×66m，共90200個單元，96432個節(jié)點。研究區(qū)段巖體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學參數(shù)

模型邊界條件采用位移邊界條件，左右及前后邊界限制其水平位移，底部邊界限制其水平及豎向位移，頂部不限制其任何方向位移，巷道埋深為650m，屬于深埋巷道，其地應力規(guī)律與淺埋巷道有較大差別，主要表現(xiàn)為水平應力大于垂直應力，根據(jù)勘察資料及計算，垂直應力為14.95MPa，水平應力為22.7MPa。將垂直應力施加于模型上表面，將水平應力施加于模型前后及左右四個面。

3.2 回采工作面支承應力特征

工作面回采過程中使得其周圍應力重新分布，應力重新分布情況影響著工作面前方支承壓力的大小以及相鄰巷道的穩(wěn)定性。40202綜放工作面在回采過程中其周圍煤巖體豎向應力分布特征如圖4所示，由圖4可知：

1)工作面前方5～17m出現(xiàn)應力增高區(qū)，呈曲條帶狀，最大豎向應力22MPa，應力增高系數(shù)為1.57；工作面前方0～5m為應力降低區(qū)，最大豎向應力低于原巖應力，原因在于此區(qū)域內(nèi)煤體受采動影響后裂隙發(fā)育程度較為完整，其內(nèi)部儲存的能量得到進一步釋放，使得應力減??；工作面前方17～60m范圍內(nèi)應力開始減小，工作面前方60m以外，應力逐漸恢復至原巖應力狀態(tài)。

2)工作面?zhèn)确?煤柱區(qū)域)7～13m內(nèi)出現(xiàn)應力增高區(qū)，最大豎向應力26MPa，應力增高系數(shù)為1.86；工作面?zhèn)确?～7m內(nèi)出現(xiàn)應力降低區(qū)，距工作面越近，應力釋放越充分，最大豎向應力越?。还ぷ髅?zhèn)确?3～20m范圍內(nèi)為應力緩慢降低區(qū)，最大豎向應力由應力增高區(qū)的26MPa逐漸降低至20MPa；工作面?zhèn)确?0～26m為40203運輸巷位置，由于40203運輸巷在掘進過程中產(chǎn)生的擾動已經(jīng)使頂板上部圍巖破壞，所以在特厚煤層采動影響下40203運輸巷上方3m處豎向壓力增加幅度較小；由此可以得知，在工作面前方及側(cè)方應力分布情況為應力降低區(qū)—應力增高區(qū)—原巖應力區(qū)，與2.1及2.2小節(jié)理論一致。

圖4 深埋特厚煤層采動應力特征圖

3.3 采動對鄰近巷道影響

圖5 巷道塑性區(qū)分布圖

巷道掘進完成后的塑性區(qū)范圍可以反映出巷道在掘進過程中對圍巖的擾動情況以及支護方案是否能夠有效合理地對巷道起到加固作用，由圖5(a)可知，巷道掘進完成后兩幫塑性區(qū)范圍在0～1.0m。兩幫部分區(qū)域產(chǎn)生了拉伸破壞，部分區(qū)域產(chǎn)生了剪切破壞。受回采動壓影響后巷道塑性區(qū)分布如圖5(b)所示，由圖5(b)可知，受回采動壓影響后巷道塑性區(qū)范圍擴大，正幫塑性區(qū)寬度由原來的1.0m擴大至3.7m；負幫塑性區(qū)寬度由原來的1.0m擴大至2.0m。馬念杰[11]分析了不同側(cè)壓力系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況，認為非均勻應力場系數(shù)大于1時，塑性區(qū)形狀近似“蝶形”，由上文可知巷道圍巖垂直應力為14.95MPa，水平應力為22.7MPa，計算得側(cè)壓力系數(shù)為1.52>1，由圖5可以看出巷道受采動影響后塑性區(qū)呈現(xiàn)出近似“蝶形”形狀。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為反映在40202工作面回采動壓影響下40203運輸巷應力變化特征及變形情況，在40203運輸巷內(nèi)布置錨桿應力計，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 錨桿受力圖

由圖6中錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，錨桿受力過程主要呈現(xiàn)為“穩(wěn)定期—較慢增長期—快速增長期—緩慢增長區(qū)”四個階段，當回采工作面距離監(jiān)測點60m以上時，錨桿受力值處于穩(wěn)定期；當回采工作面距離監(jiān)測點60～40m時，錨桿受力值開始緩慢增長，說明回采動壓的影響范圍已經(jīng)初步到達監(jiān)測點；隨著回采工作面的持續(xù)推進，當回采工作面距離監(jiān)測點40～0m時，回采動壓影響越來越劇烈，錨桿受力值開始快速增長，處于快速增長區(qū)；當回采工作面遠離監(jiān)測點時，錨桿受力值依舊在增長，但增長速率較緩，處于緩慢增長期。由此可知，與傳統(tǒng)支護方法相比深埋大采高綜放工作面采動影響范圍更大，在對受此類回采動壓影響的相鄰巷道進行支護時，需要更深入地研究其應力演化規(guī)律。

4.2 塑性區(qū)范圍分析

為獲取回采動壓影響后巷道幫部塑性區(qū)范圍，采用礦用鉆孔窺視儀對巷道兩幫進行觀察，窺視深度8m。40203運輸巷正幫不同位置破壞區(qū)探測圖如圖7所示，由圖7可知，在正幫6m處，巷道圍巖呈連續(xù)性，還未發(fā)生破壞，在4m處，巷道圍巖開始出現(xiàn)破壞區(qū)域，4～0.5m處巷道圍巖呈非連續(xù)性分布，說明正幫塑性區(qū)范圍在0.5～4m處，由于巷道幫部發(fā)生大幅收斂，在0～0.5m處圍巖破碎程度高，則0～0.5m處為圍巖破碎區(qū)。

圖7 正幫不同位置破壞區(qū)探測圖

40203運輸巷負幫不同位置破壞區(qū)探測圖如圖8所示，由圖8可知，在負幫6～3m處，巷道圍巖呈連續(xù)性，還未發(fā)生破壞，在2.2m處，巷道圍巖開始出現(xiàn)破壞區(qū)域，2.2～0.5m處巷道圍巖呈非連續(xù)性分布，說明負幫塑性區(qū)范圍在0.5～2.2m處，與正幫一樣，負幫也發(fā)生較大收斂，在0～0.5m處圍巖破碎程度高，則0～0.5m處為圍巖破碎區(qū)。

圖8 負幫不同位置破壞區(qū)探測圖

綜上可知，在特厚煤層采動影響下，臨近巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大，越靠近采空區(qū)采動對圍巖影響越大，塑性區(qū)范圍增加幅度也更大；離采空區(qū)較遠一側(cè)的巷道圍巖，由于巷道的存在起到了一定的卸壓作用，使得采動應力在傳遞過程中發(fā)生中斷，對圍巖影響較小，則塑性區(qū)范圍增加幅度也更小。

5 結(jié) 論

1)小莊礦深埋特厚煤層回采過程中對工作面前方產(chǎn)生的采動影響范圍達到60m，在工作面前方5～17m處出現(xiàn)應力增高區(qū)，應力增高系數(shù)為1.57。工作面?zhèn)确?～13m處出現(xiàn)應力增高區(qū)，應力增高系數(shù)為1.86。

2)受深埋特厚煤層采動影響后，鄰近巷道圍巖塑性區(qū)范圍發(fā)生較大變化，使得整個巷道圍巖塑性區(qū)呈不對稱分布，靠近采空區(qū)一側(cè)圍巖塑性區(qū)寬度擴大了270%，而距采空區(qū)較遠一側(cè)圍巖塑性區(qū)寬度只擴大了原來的一倍。

3)深埋特厚煤層比淺埋煤層回采過程中產(chǎn)生的采動影響范圍更深遠，對鄰近巷道造成的破壞更顯著。