大傾角煤層多重擾動煤巷圍巖應力分布規(guī)律

李 海，韓進忠，李殿春，張 彪

(1.冀中能源峰峰集團梧桐莊煤礦，河北 邯鄲 056200；2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；3.寧夏寶豐集團紅四煤業(yè)有限公司，寧夏 銀川 750001)

0 引 言

山西大遠煤業(yè)有限公司主采2#煤層，煤層傾角46°左右，平均厚度為5 m，屬于典型的大傾角中厚煤層條件，礦井設計生產(chǎn)能力為120萬t/a。當前，山西大遠煤業(yè)有限公司礦井12采區(qū)工作面為主采區(qū)，附近多為采空區(qū)，工作面平巷和開切眼受到鄰近采空區(qū)固定支承壓力的強烈影響，其圍巖維護難度較大，始終處于重復擴修的困難局面。

為了解決類似條件巷道的圍巖支護難題，部分學者針對大傾角煤層開采過程中的圍巖穩(wěn)定性規(guī)律開展了相關研究。華道友等[1]、黃建功等[2-4]、李維光等[5]、吳紹倩等[6]、伍永平等[7]研究了大傾角煤層開采時超前支承壓力、覆巖運移和工作面支架載荷變化規(guī)律；伍永平等[8]、尹光志[9]、王明立等[10-11]研究了超前工作面煤體破裂和覆巖破斷特征；在此基礎上，伍永平等[12]、贠東風等[13]、田明富等[14]、柏建彪等[15]、黃慶享等[16]、蘇學貴等[17]從錨網(wǎng)支護承載特征角度研究了大傾角煤層巷道的非對稱變形特征和失穩(wěn)原因。結果表明，巷道圍巖非對稱變形特征是煤層賦存特征和采動應力共同作用的結果。

上述成果為準確掌握大傾角煤層巷道圍巖應力分布特征和穩(wěn)定性規(guī)律提供了研究依據(jù)，但是已有研究結論多針對大傾角煤層工作面超前支承壓力以及支護體本身特征展開研究，對區(qū)段巷道受采空區(qū)支承壓力與超前支承壓力疊加擾動作用下圍巖穩(wěn)定性研究較少。因此，為了有效彌補大傾角煤層巷道圍巖穩(wěn)定性研究中的欠缺之處，針對典型的大傾角煤層多重擾動煤巷——山西大遠煤業(yè)有限公司1202工作面運輸平巷，分析大傾角煤層賦存條件下的采空區(qū)側向支承壓力與超前支承壓力疊加影響下巷道應力分布規(guī)律，并基于應力分析結果，提出合理的區(qū)段煤柱寬度，為類似條件的大傾角煤層巷道的穩(wěn)定性研究提供參考。

1 大傾角煤層多重擾動煤巷基本條件

1.1 1202工作面運輸平巷概況

1202工作面走向長為800 m，傾斜長為85 m，埋深為125～212 m，平均煤厚6.5 m，可采儲量約為75.9萬t。1202工作面位于井田中部東側，其東側與2#煤層風氧化帶相距100 m，井下南起于1202集中出煤下山，工作面西側為1201工作面采空區(qū)。1202工作面運輸平巷布置圖如圖1所示。

1202工作面運輸平巷長度約為930 m，埋深215 m左右，巷道東側為1202工作面，西側為與1201工作面采空區(qū)相隔寬20 m的區(qū)段保護煤柱。運輸平巷沿2#煤層頂板掘進，設計為圓弧拱形斷面，掘進寬度4.4 m，掘進高度3.0 m。煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1，直接頂和基本頂分別為粉砂巖和中砂巖，直接底和基本底分別為泥巖和中砂巖。

圖1 1202工作面運輸平巷布置圖Fig.1 Layout of transportation roadway in 1202 working face

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r性特征表Table 1 Characteristics of roof and bottom slate ofNo.2 coal seam

1.2 1202工作面運輸平巷變形特征

1202工作面平巷在1201工作面采空區(qū)固定支承壓力作用下，出現(xiàn)了頂板褶皺整體下沉、兩幫非對稱強烈內(nèi)移等顯著變形特征，尤其是巷道底板出現(xiàn)明顯變形縫；其中，頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬ψ冃瘟糠謩e為800 mm和1 500 mm。

區(qū)段煤柱固定支承壓力對巷道有強烈影響，圍巖出現(xiàn)了失穩(wěn)趨勢，且頂部、幫部、底部等不同部位均具有顯著的非對稱變形特征，且1202工作面開始回采時，巷道將受超前支承壓力的影響。因此，工作面回采時區(qū)段煤柱固定支承壓力和超前支承壓力疊加作用將對巷道產(chǎn)生強烈影響，在其服務期內(nèi)勢必重復擴修。

2 大傾角煤層煤柱側向支承壓力分布規(guī)律

利用FLAC3D數(shù)值軟件對大傾角煤層賦存條件下區(qū)段煤柱側向支承壓力分布特征進行分析，揭示大傾角煤層采空區(qū)側向支承壓力對巷道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，分析大傾角煤層賦存特征以及采空區(qū)側向支承壓力和巷道開挖擾動疊加影響。

三維數(shù)值計算模型如圖2所示，模型沿x方向長度為65 m，沿y方向為150 m，沿z方向高度為150 m，模型中煤層傾角為46°，巖性按照山西大遠煤業(yè)有限公司2#煤層頂?shù)装鍘r性設置。1202工作面運輸平巷位于模型中間，上部為1202工作面，下部為1201工作面；其中，運輸平巷與模型下部1201工作面采空區(qū)邊緣水平距離20 m，即區(qū)段煤柱尺寸為20 m，同時，鄰近工作面采用半無限開采方式建模，即鄰近采空區(qū)位于模型左邊界位置。1202工作面同樣采用半無限開采方式建模，工作面傾向長度尺寸為40 m。 模型中網(wǎng)格應力和變形迭代采用莫爾庫倫強度準則，即破壞面剪應力準則，模擬過程采用分步開挖，開挖步距為10 m。 此外，將模型x方向和y方向上4個邊界設置為支承邊界條件，同時在模型的底面施加z方向豎直位移約束，上邊界施加3.5 MPa的均布載荷，模擬厚度為140 m的上覆巖層自重。

模型內(nèi)部各巖層巖性及參數(shù)依據(jù)表1進行選取。同時，由于近煤層區(qū)域巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，同時受水潮解和風化嚴重影響，煤層直接頂和直接底巖層物理力學參數(shù)進行小幅弱化。

圖2 數(shù)值模型圖Fig.2 Numerical model

2.1 大傾角煤層煤柱側向支承壓力分布規(guī)律

山西大遠煤業(yè)有限公司1202工作面運輸平巷與周圍工作面位置如圖3所示，1201工作面采空區(qū)圍巖豎直應力分布規(guī)律如圖4所示。

圖3 1202工作面運輸平巷與周圍工作面位置關系圖Fig.3 Location relationship between 1202 working faceand surrounding working face

圖4 1201工作面采空區(qū)圍巖豎向應力分布規(guī)律Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rockin 1201 working face

由圖4可知，當區(qū)段煤柱寬度為20 m，巷道位置豎向應力出現(xiàn)急劇增加；當1202工作面運輸平巷位置的煤巖體尚未受到鄰近工作面采動及固定支承壓力影響時，該位置煤巖體應力約為5.4 MPa；而該位置煤巖體經(jīng)受相鄰工作面采動及空區(qū)固定支承壓力影響后，其豎向應力急劇增大8.5～9.0 MPa，應力增大近1.7倍。分析出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因可知，首先在大傾角煤層賦存條件下，靠近1201工作面和1202工作面的煤柱底板內(nèi)出現(xiàn)了“三角形”分布的豎向應力集中現(xiàn)象，且該應力集中區(qū)域與采空區(qū)邊緣(煤柱邊緣)為近似水平關系，兩者水平距離為13.2 m，集中應力峰值為12.8 MPa；此外，豎向應力集中峰值距離1202工作面運輸平巷預開挖位置煤巖體垂直距離為16 m，該范圍內(nèi)的應力梯度相對較大，達到0.24 MPa/m。因此，豎向應力集中現(xiàn)象影響范圍波及1202工作面運輸平巷預開挖位置的煤巖體，同時在該范圍巖體內(nèi)的豎向應力呈現(xiàn)非對稱分布特征。

為了進一步分析1201工作面開采對1202工作面運輸平巷預開挖煤巖體的應力分布規(guī)律，提取該區(qū)域煤巖體內(nèi)的剪應力分布狀態(tài)，如圖5所示。由圖5可知，在煤層底板內(nèi)出現(xiàn)剪應力集中現(xiàn)象，其峰值達到4.24 MPa，同時剪應力集中區(qū)與煤柱邊緣近似水平，距離煤柱邊緣(采空區(qū)邊緣)12.9 m。 此外，在煤柱下部直接底與老底交界區(qū)域存在3.6 MPa的剪應力，且該區(qū)域剪應力沿交界面“帶狀”分布。對1202工作面運輸平巷預開挖位置的煤巖體而言，該區(qū)域與煤層底板剪應力峰值垂距為23 m，且在剪應力集中效應影響下，運輸平巷預開挖位置的煤巖體剪應力達到2.6 MPa左右。

圖5 1201工作面采空區(qū)圍巖剪應力分布規(guī)律Fig.5 Distribution law of shear stress of surrounding rockin 1201 working face

2.2 大傾角煤層巷道圍巖應力分布規(guī)律

待1201工作面采空區(qū)側向支承壓力逐漸穩(wěn)定后，在數(shù)值模型中分步開挖巷道，研究巷道圍巖應力分布特征，1202工作面運輸平巷在鄰近采空區(qū)側向支承壓力影響下的圍巖豎向應力分布云圖如圖6所示。

圖6 大傾角煤層巷道圍巖豎向應力分布特征Fig.6 Vertical stress distribution characteristics of roadway surrounding rock in large dipping seam

由圖6可知，巷道頂板和底板巖層豎向應力明顯減小，出現(xiàn)圍巖應力降低區(qū)，并且頂?shù)装鍛档蛥^(qū)沿巷道中心非對稱分布。分析豎向應力降低范圍可知，頂板應力降低范圍為3.8 m左右，底板應力降低范圍為2.7 m。巷道兩幫豎向應力分布規(guī)律與頂?shù)装遑Q向應力分布特征具有明顯差異，即巷道兩幫出現(xiàn)豎向應力集中現(xiàn)象，其中，采空區(qū)側幫部應力峰值為9.3 MPa，應力集中系數(shù)為1.72，峰值點距離巷道圍巖表面2.1 m；1202工作面?zhèn)葞筒繎Ψ逯禐?0.6 MPa，應力集中系數(shù)為2，且出現(xiàn)在距離巷道表面4.1 m位置，同時該幫部集中應力區(qū)域與煤層底板側向支承壓力峰值影響范圍貫通。根據(jù)上述豎向應力分布規(guī)律可知，在1201工作面采空區(qū)側向支承壓力強烈影響下，1202工作面運輸平巷圍巖內(nèi)的豎向應力沿巷道中線呈現(xiàn)典型非對稱分布規(guī)律。由此表明，在大傾角煤層賦存條件下，鄰近工作面采空區(qū)側向支承壓力影響范圍大于20 m，并且與兩幫豎向應力集中區(qū)域貫通，其中與實體煤幫部應力集中區(qū)貫通范圍更大，若采用原有煤柱寬度，必然會導致1202工作面運輸平巷處于強烈的支承壓力作用范圍內(nèi)，導致巷道圍巖豎向應力分布出現(xiàn)顯著的非對稱特征，尤其是實體煤幫部集中應力峰值向巷道圍巖表面偏移，促使運輸平巷表面節(jié)理化巖體產(chǎn)生強烈變形。上述分析從應力分布角度，較好地解釋了1202工作面運輸平巷非對稱變形特征。

3 大傾角煤層巷道多重支承壓力疊加規(guī)律

3.1 超前支承壓力分布規(guī)律

圖7為1202工作面回采過程中沿工作面推進方向超前支承壓力分布特征。圖7(a)為工作面回采60 m后的支承壓力分布剖面圖，由圖7(a)可知，在工作面周圍巖體存在顯著的應力降低范圍，頂板上覆巖層應力降低范圍最大達到30 m以上，底板巖層應力降低范圍為35 mm以上，并且頂?shù)讕r層應力降低范圍沿模型邊界至工作面位置按照“1/2橢圓”分布。超前工作面推進方向50 m范圍出現(xiàn)支承壓力擾動現(xiàn)象；其中，在距離工作面7.1 m位置出現(xiàn)支承壓力峰值，其應力達到7.8 MPa以上，應力集中系數(shù)為1.39，并且出現(xiàn)半弧形應力峰值等值線，該等值線位于頂板巖層破斷極限位置；同時，工作面前方煤層頂板巖層集中應力擾動范圍為18 m，底板巖層集中應力擾動范圍略小，但仍達到15 m。

圖7(b)在1202工作面超前支承壓力峰值位置截取垂直工作面推進方向的剖面，由圖7(b)可知，分析工作面推進距離為60 m且超前工作面7.1 m位置的運輸平巷及工作面圍巖應力分布規(guī)律。工作面頂?shù)装鍑鷰r支承壓力分布范圍為橢圓形分布(長軸為90 m、短軸為38 m)，其中在工作面兩平巷圍巖內(nèi)產(chǎn)生峰值為8.8 MPa的集中應力，應力集中系數(shù)為1.54左右；在工作面中間部位集中應力略小，其值為7.9 MPa。同時，超前工作面的支承壓力分布區(qū)域主要集中在煤層賦存范圍內(nèi)，即沿煤層傾向出現(xiàn)顯著應力集中現(xiàn)象。由運輸平巷圍巖內(nèi)的豎向應力分布規(guī)律可知，在巷道頂?shù)装鍍?nèi)均出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象；其中，頂板應力降低范圍約為2.7 m、底板應力降低范圍3.1 m，并且頂?shù)装鍛档头秶叵锏乐芯€為非對稱特征。分析兩幫豎向應力分布規(guī)律，在超前采動影響下左幫集中應力峰值與巷道表面距離約為2.5 m，為半球形分布特征，應力峰值達到8.7 MPa；右?guī)图袘Ψ逯稻嚯x巷道表面3.2 m，其峰值為8.74 MPa，并且左右兩幫應力集中區(qū)域和量值亦沿巷道中線非對稱分布。

圖7 1202工作面超前支承壓力分布規(guī)律Fig.7 Distribution of advance bearing pressure of 1202 working face

3.2 大傾角煤層多重支承壓力疊加效應

在采空區(qū)側向支承壓力與超前支承壓力疊加效應下，工作面超前支承壓力云圖如圖8所示。由圖8(a)可知，1202工作面前方12.7 m位置出現(xiàn)顯著應力集中現(xiàn)象，集中應力峰值達到14.9 MPa以上，其擾動范圍達到100 m以上，并在頂板巖層極限破斷位置出現(xiàn)集中應力峰值等值線；與無采空區(qū)側向支承壓力作用下的應力分布規(guī)律相比，工作面超前支承壓力由7.9 MPa增加至14.9 MPa，且支承壓力擾動范圍由70 m發(fā)育至100 m以上，同時集中應力峰值距工作面距離由7.1 m增加至12.7 m，同時工作面頂板應力降低程度和范圍顯著增加，尤其是應力降低范圍達到70 m以上，但底板巖層的應力降低程度和范圍出現(xiàn)小幅度變化。由此表明，采空區(qū)側向支承壓力與超前支承壓力疊加作用后，超前支承壓力峰值和應力擾動范圍均顯著增大，同時集中應力峰值強烈影響區(qū)域向工作面推進前方深部煤體轉移。

由圖8(b)可知，在側向支承壓力的附加影響下，煤層及其頂板巖層沿工作面傾向方向的應力出現(xiàn)非對稱分布形態(tài)，在靠近1202工作面運輸平巷側出現(xiàn)強烈應力集中現(xiàn)象，即巷道采空區(qū)側幫部豎向應力達到10 MPa以上，實體煤幫圍巖豎向應力峰值達到16.2 MPa，并沿著工作面傾向出現(xiàn)集中應力跌落現(xiàn)象，其中，集中應力強烈影響范圍達到59 m左右。與無采空區(qū)側向支承壓力作用下巷道圍巖應力分布特征相比，可知工作面超前支承壓力非對稱分布的主要是受采空區(qū)側向支承壓力的影響，在此條件下，巷道圍巖應力峰值由8.74 MPa急劇增加至16.20 MPa，應力集中系數(shù)增大至2.84以上。

圖8 采空區(qū)側向支承壓力與超前支承壓力疊加效應Fig.8 Superposition effect of side bearing pressure and advance bearing pressure in goaf

通過上述分析可知，采動工作面超前支承壓力受鄰近采空區(qū)側向支承壓力影響，二者疊加作用下，大傾角煤層區(qū)段煤柱、運輸平巷圍巖和工作面超前區(qū)域煤巖體內(nèi)應力狀態(tài)均產(chǎn)生顯著變化，其中，集中應力出現(xiàn)86 %以上的累計疊加效應，并且疊加應力強烈影響區(qū)域均向巷道或工作面煤體等臨空區(qū)域偏移，形成典型多重擾動疊加應力環(huán)境，迫使臨空區(qū)域圍巖趨向失穩(wěn)狀態(tài)。

4 大傾角煤層區(qū)段煤柱寬度

為了優(yōu)化山西大遠煤業(yè)有限公司區(qū)段煤柱寬度，在大傾角煤層采空區(qū)側向支承壓力分布規(guī)律基礎上，對比分析煤柱寬度分別為20 m、16 m、12 m、8 m、4 m條件下的1202工作面運輸平巷預開挖煤巖體豎向應力分布規(guī)律(圖9)，探討大傾角煤層區(qū)段煤柱的合理取值范圍，為該礦下一階段開采設計提供依據(jù)。

圖9 不同煤柱寬度條件下1202工作面運輸平巷預開挖位置煤巖體豎向應力分布規(guī)律Fig.9 Vertical stress distribution of coal and rock massat pre-excavation position of transportation roadway in1202 working face under different coal pillar widths

由圖9可知，1201工作面開采后，沿煤層賦存傾向方向，在1201工作面采空區(qū)邊緣與1202工作面運輸平巷預開挖位置煤巖體范圍內(nèi)(20 m)，豎向應力梯度為0.275 MPa/m，并在原始設計條件下，1202工作面運輸平巷位置煤巖體豎向應力集中程度最大，豎向應力達到9 MPa以上。隨著采空區(qū)邊緣與1202工作面運輸平巷預開挖位置煤巖體距離不斷減小，即煤柱寬度分別設置為16 m、12 m、8 m和4 m時，煤巖體內(nèi)豎向應力沿1202工作面運輸平巷中線由非對稱特性轉變?yōu)閷ΨQ特性，且量級由9 MPa減小至6 MPa以下。此外，分析采空區(qū)圍巖豎直集中應力分布范圍和影響程度，當煤柱寬度為4～8 m時，1202工作面運輸平巷預開挖位置煤巖體受到的豎直集中應力影響程度較?。划斆褐鶎挾葹?～12 m時，巷道預開挖位置巖體受到中等程度的集中應力影響。因此，建議山西大遠煤業(yè)有限公司大傾角煤層賦存條件下的區(qū)段煤柱寬度選取4～8 m，如果綜合考慮大傾角條件下煤柱與頂板和底板巖層的滑移破壞，建議區(qū)段煤柱寬度設計為6～12 m。

5 結 論

1) 在區(qū)段煤柱支承壓力強烈影響下，巷道圍巖豎向應力為非對稱分布特征，幫部應力集中區(qū)與煤層底板側向支承壓力峰值影響范圍貫通。同時，在大傾角煤層賦存條件下，鄰近工作面采空區(qū)側向支承壓力影響范圍大于20 m，并且與兩幫豎向應力集中區(qū)域貫通。

2) 采動工作面超前支承壓力疊加鄰近采空區(qū)側向支承壓力后，超前支承壓力峰值和應力擾動范圍均迅速增大，致使大傾角煤層區(qū)段煤柱、運輸平巷圍巖和工作面超前區(qū)域煤巖體內(nèi)應力狀態(tài)均產(chǎn)生顯著變化，即側向支承壓力成為導致工作面超前支承壓力非對稱分布的主要因素，并產(chǎn)生強烈應力累計疊加效應，形成典型多重擾動疊加應力環(huán)境。

3) 模擬留設不同寬度區(qū)段煤柱，對比分析巷道開挖后圍巖豎向應力分布特征，從減小巷道圍巖應力非對稱程度出發(fā)，建議山西大遠煤業(yè)有限公司大傾角煤層賦存條件下的區(qū)段煤柱寬度選取4～8 m，如果綜合考慮大傾角條件下煤柱與頂板和底板巖層的滑移破壞，建議區(qū)段煤柱寬度設計為6～12 m。