采空區(qū)巷道圍巖應(yīng)力分布及穩(wěn)定性分析

吳建蘭

（大同煤礦集團(tuán)有限公司煤峪口礦地測(cè)科，山西 大同037041）

1 工程概況

在多煤層開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層間的距離較近，使得上煤層的開(kāi)采對(duì)下煤層巷道圍巖造成很大的應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)應(yīng)力集中。巷道圍巖應(yīng)力升高，增加了巷道支護(hù)的困難，易出現(xiàn)巷道圍巖不穩(wěn)定、支護(hù)破壞的現(xiàn)象[1-2]。煤峪口礦14#煤層位于12#煤層采空區(qū)的下方，兩煤層平均間距為6.83 m。12#煤層的平均煤層厚度為2.47 m，埋深為230 m，直接頂是灰色泥巖，平均厚度1.2 m，老頂是砂巖，平均厚度1.47 m；14#煤層的平均煤層厚度為2.0 m，埋深237.5 m，直接頂是砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.57 m，底板是泥巖，平均厚度1.4 m。14#煤層巷道中心距離12#煤層的采空區(qū)約5.4 m，采用長(zhǎng)壁開(kāi)采法進(jìn)行開(kāi)采，采用垮落法進(jìn)行頂板管理。

2 數(shù)值模型的建立

對(duì)12#煤層采空區(qū)建立UDEC 模型，模型的尺寸為160 m×62.5 m，模型左邊界40 m 處是煤層開(kāi)采邊界，模擬的可開(kāi)采工作面長(zhǎng)度為80 m，煤層埋深為230 m，采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則[3]，建立左右邊界是單約束，底部邊界是全約束的數(shù)值模型，在頂部均勻地施加5 MPa 載荷，模擬過(guò)程包括初始應(yīng)力的生成—計(jì)算12#煤層回采平衡—將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FLAC3D—初始應(yīng)力的生成—計(jì)算14#煤層支護(hù)平衡，根據(jù)巖體物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)[4]，計(jì)算整個(gè)模擬過(guò)程中的巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3 巷道圍巖應(yīng)力分布

在12#煤層開(kāi)采完后，得到14#煤層的應(yīng)力分布規(guī)律見(jiàn)圖1，從圖中可以看出，不同位置的應(yīng)力分布是不同的，具體為：

圖1 14#煤層應(yīng)力分布規(guī)律

1）在與12#煤層采空區(qū)正下方的距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以看出，14#煤層的垂直應(yīng)力Szz 曲線呈先升高后下降的趨勢(shì)，在距離采空區(qū)8 m 時(shí)，垂直應(yīng)力達(dá)到最大值，約10.1 MPa，而水平應(yīng)力Sxx 的變化幅度較小，約下降1.9 MPa，剪切應(yīng)力Sxz 在處于采空區(qū)正下方時(shí)達(dá)到最大值，約0.78 MPa。

2）垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、剪切應(yīng)力在距離采空區(qū)正下方10 m 的范圍內(nèi)變化較大，在距離采空區(qū)正下方20 m 以上的基本不受影響，可見(jiàn)，12#煤層采空區(qū)對(duì)14#煤層的影響范圍比較劇烈的是在10 m范圍內(nèi)。

3）14#煤層巷道中心在距離采空區(qū)正下方5.4 m時(shí)，巷道的垂直應(yīng)力較高，影響劇烈，是巷道難支護(hù)區(qū)域。

4 巷道穩(wěn)定性分析

4.1 巷道圍巖應(yīng)力分布

根據(jù)圖2中巷道腰線處垂直應(yīng)力的分布圖可以看出，矩形巷道由于垂直應(yīng)力的分布，在矩形巷道兩邊的垂直應(yīng)力急劇變化，在對(duì)巷道進(jìn)行半圓拱形優(yōu)化后，巷道兩邊的應(yīng)力相對(duì)過(guò)渡比較平穩(wěn)，最大垂直應(yīng)力達(dá)到12.8 MPa；而水平應(yīng)力相對(duì)垂直應(yīng)力的分布要復(fù)雜一點(diǎn)，在對(duì)巷道支護(hù)優(yōu)化后，巷道可以支撐的最大應(yīng)力達(dá)到10.3 MPa。

圖2 巷道垂直應(yīng)力曲線

矩形巷道周圍的剪切應(yīng)力會(huì)急劇變化，出現(xiàn)剪切應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在對(duì)巷道進(jìn)行半圓拱形優(yōu)化支護(hù)后，根據(jù)巷道圍巖剪切應(yīng)力的分布云圖3可以看出，剪切應(yīng)力最大為3.76 MPa，應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)小于沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化的狀況，而且應(yīng)力的分布離巷道表面更遠(yuǎn)。

圖3 巷道圍巖剪切應(yīng)力分布云圖

4.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布

根據(jù)巷道圍巖的塑性分布規(guī)律，見(jiàn)圖4，由于上覆煤層存在采空區(qū)，巷道圍巖周圍出現(xiàn)不對(duì)稱的塑性區(qū)，在受剪切應(yīng)力破壞的區(qū)域整體呈橢圓形分布，在巷道圍巖的表面出現(xiàn)小范圍的拉伸破壞。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行半圓拱形支護(hù)后，可以看出巷道圍巖的塑性區(qū)影響范圍明顯變小。

圖4 巷道圍巖塑性分布

4.3 巷道圍巖位移變化

在對(duì)巷道底板位移監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，得到以下數(shù)據(jù)，巷道頂板有16.2 mm 的下沉量，16.1 mm的底鼓量，頂?shù)装?2.3 mm 的移近量。而對(duì)巷道兩幫位移監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中顯示，左幫31.6 mm 的移近量，右?guī)?2.6 mm 的移近量，共64.2 mm 的移近量。由此認(rèn)為在巷道兩側(cè)受垂直應(yīng)力的過(guò)程中，位移會(huì)相對(duì)較大，需要優(yōu)化并加強(qiáng)支護(hù)，減小垂直應(yīng)力影響以保證巷道能夠穩(wěn)定。

5 應(yīng)用效果

根據(jù)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布情況以及穩(wěn)定性的研究，在使用半圓拱形和強(qiáng)幫支護(hù)后，在采動(dòng)影響下，巷道掘進(jìn)初期，巷道表面的位移量在滯后測(cè)點(diǎn)30 m 時(shí)變化較大，在接近測(cè)點(diǎn)時(shí)，巷道頂板的位移量為9 mm，收斂速率和頂板移近速率分別為1.8 mm/d、1.64 mm/d；巷道繼續(xù)向前掘進(jìn)時(shí)，在超前測(cè)點(diǎn)60 m 時(shí)，巷道表面位移量增大，但整體變化不大，趨向穩(wěn)定，巷道頂板的位移量為25 mm，收斂量和兩幫移近量分別為15.5 mm、31.0 mm。這說(shuō)明，沒(méi)有使用強(qiáng)幫支護(hù)的巷道頂板出現(xiàn)持續(xù)下沉、噴層、鋼筋梯子梁壓彎等現(xiàn)象；使用半圓拱形和強(qiáng)幫支護(hù)后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏孔兓驾^小，巷道圍巖表面位移收斂，沒(méi)有出現(xiàn)變形，在后續(xù)的開(kāi)采過(guò)程中逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

根據(jù)煤峪口礦煤層的實(shí)際情況，建立UDEC數(shù)值模型，分析12#煤層采空區(qū)對(duì)14#煤層巷道圍巖的影響，得到巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，在FLAC3D中分析巷道圍巖的應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布以及位移的變化，結(jié)果如下：

1）數(shù)值模擬結(jié)果表明：12#煤層采空區(qū)對(duì)14#煤層的影響劇烈的范圍為10 m，最大垂直應(yīng)力達(dá)到12.8 MPa，剪切應(yīng)力最大達(dá)到3.76 MPa。

2）使用半圓拱形支護(hù)后，巷道頂板有16.2 mm的下沉量，16.1 mm 的底鼓量，頂?shù)装?2.3 mm 的移近量，左幫31.6 mm 的移近量，右?guī)?2.6 mm 的移近量，共64.2 mm 的移近量，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道的穩(wěn)定性控制。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)表明：進(jìn)行巷道強(qiáng)幫支護(hù)后，上層12#煤層開(kāi)采對(duì)下層14#煤層巷道的影響在巷道前30 d 距測(cè)點(diǎn)30 m 范圍內(nèi)，位移量變化相對(duì)較大，收斂速率和頂板移近速率分別為1.8 mm/d、1.64 mm/d；在巷道掘進(jìn)30～60 d 超前測(cè)點(diǎn)60 m時(shí)，位移量逐步穩(wěn)定，收斂量和兩幫移近量分別為15.5 mm、31.0 mm，巷道圍巖表面沒(méi)有出現(xiàn)變形，在后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。