淺析采動影響下巷道群圍巖應力分布特征

李嘯林,郝長勝

(1.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院,內蒙古 包頭 014000;2.神華集團 包頭礦業公司,內蒙古 包頭 014000)

采動影響下,巷道周圍巖體內的應力狀態發生明顯變化,并呈現出顯著的不均勻應力分布狀態,這就造成巷道發生局部破壞嚴重和不均勻巷道圍巖變形,巷道斷面變形嚴重且有發生頂板冒落和片幫的嚴重安全隱患[1-2]。為維護采動影響下回采巷道的圍巖穩定,就有必要分析采動影響下圍巖應力分布規律,結合實際工程特征來估算采動影響條件下的圍巖應力不均勻分布力學模型,進而計算支護阻力,為后續的巷道群圍巖控制和支護設計提供理論參考依據。

1 采動影響條件下的圍巖應力重分布規律

隨著工作面的回采,在工作面的后方將形成采空區,此時其上覆巖層的應力載荷逐漸轉移至工作面周圍煤巖體,在采場圍巖體中形成采場應力支撐壓力區,按位置可分為工作面超前支承壓力、側向煤巖體支承壓力和采空區支承壓力,如圖1所示。

圖1 沿工作面推進方向的采場應力分布示意圖Fig.1 Stress distribution in the advancing direction of the working face

采動影響導致工作面應力重分布,采場上覆巖層應力載荷基本上作用于工作面前方煤巖體、側向煤巖體以及采空區位置,而回采巷道多數都布置于工作面前方煤巖體和側向煤巖體中,在這些區域都形成有較大范圍的應力集中[3-4]。本文設應力集中系數用K來表示,一般情況下,應力集中系數為K=2～3。為了研究工作面回采至停采線附近時車場巷道群的圍巖應力分析,從沿工作面推進方向對煤巖體超前支承壓力分布規律展開分析研究,為后續的復雜圍巖應力環境分析和巷道支護提供指導。

沿回采工作面推進方向,工作面煤巖體的超前支承壓力分布狀態可分為工作面圍巖應力降低區、工作面圍巖應力增高區及采場圍巖應力不變區三個區域[5-6],如圖2所示。

在圖2中:d1為采空區圍巖殘余應力恢復至原巖應力狀態的距離;d2為工作面縱向長度;d3為工作面至前方圍巖應力峰值的距離;d4為工作面前方圍巖應力峰值至采場原巖應力狀態的距離。

為便于計算分析,降低理論推導的繁瑣,將工作面支承壓力分布簡化為線性載荷分布形式,并暫時減去原巖應力σ0,以將工作面支承壓力σy對工作面前方煤巖體及其采場底板的應力分布影響以增量的形式Δσy表示:

Δσy=σy-σ0.

(1)

將工作面前方煤巖體視為一個半無限均質彈性介質,建立應力增量計算模型,以工作面推進方向為X軸正方向,原點O位于工作面前方煤壁,根據式(1),通過對工作面前方煤巖體及其采場底板的應力分布規律簡化,得工作面前方煤巖體及其采場底板的應力增量的分布規律,此時工作面前方圍巖應力增高峰值的集中系數為(K-1),具體見圖3。

圖2 工作面推進方向支承壓力分布圖Fig.2 Abutment pressure distribution in the advancing direction of the working face

圖3 工作面推進方向應力增量分布Fig.3 Stress increment distribution in the advancing direction of the working face

根據圖3中的坐標系,建立工作面前方圍巖垂直應力的表達式:

(2)

根據力的平衡原理,若要平衡,應力增量必須滿足下式:

(3)

根據彈性力學理論[7],半平面體在受有鉛錘分布力時,為了求出半平面體內任意一點處的應力,可以在距離坐標原點O處取微小長度dε,將其受力進行微分計算,即為dF走向(ε)=P走向(ε)dε，進而得到在沿工作面回采的走向方向上:

(4)

(5)

式中:m,n為對應d1,d2,d3,d4各個階段的P走向(ε)的應力系數。

將工作面推進方向底板應力分布劃分為AB、BC、CD、DE四個應力分區,分別對式(4)、式(5)進行積分求解,即可得到完整的應力分布方程,同時運用Excel或者Matlab軟件成圖分析應力分布規律。

2 采場圍巖應力環境力學估算

2.1 現場應用條件概況

以晶鑫煤礦二采區車場作為研究對象,井田面積5.132 5 km2,開采深度+670 m～470 m標高,主采3#煤層,工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板,采區內對應工作面開采強度較大。

二采區3#煤層厚度5.55 m～6.55 m,平均厚6.02 m,煤層傾角1°～3°。該煤層常有薄層炭質泥巖偽頂,偽頂平均厚0.59 m;直接頂板多為灰黑色粉砂巖或細砂巖,平均厚度8.02 m;基本頂為(粗)砂巖,平均厚27.81 m;直接底為泥巖,平均厚2.36 m。二采區車場布置如圖4所示。

圖4 二采區車場平面布置圖Fig.4 Layout of the pit bottom in No.2 mining area

2.2 圍巖應力環境力學估算

根據上述理論分析和有關監測可知,當晶鑫煤礦二工作面回采至停采線位置,由采動影響引起的圍巖應力重分布影響范圍波及到二采區車場,停采線附近圍巖應力集中峰值29 MPa,且原巖應力為7 MPa。因此,設原巖應力系數為1,工作面回采周圍形成的應力集中系數4,工作面回采前方煤壁距應力集中峰值位置的距離d3=18 m,應力集中峰值距側向煤巖體深部原巖應力區的距離d4=100 m;同時,已知工作面的寬度d2=8 m,后方采空區d1=100 m,利用分析軟件代入式(5)進行計算,結果如圖5,圖6所示。

圖5 工作面回采形成的圍巖應力分布Fig.5 Surrounding rock stress distribution of the working face

圖6 二采區車場各巷道所處的圍巖應力環境Fig.6 Surrounding rock stress environment of the pit bottom in No.2 mining area

根據圖5可知,采區車場的上山巷道距離工作面回采至停采線位置最遠,在80 m～130 m范圍,基本處在1～1.7倍的原巖應力狀態,即7 MPa ～12 MPa,且圍巖水平應力大小基本等于垂直應力。由圖6可知,在采區車場側,各繞道、回采巷道及其相應聯絡巷距離工作面停采線較近,其中“三角形”交岔聯絡巷在距離停采線30m～80m的范圍內,基本處在1.7～3.6倍的原巖應力狀態,即12 MPa ～25.2 MPa,且圍巖垂直應力較高于圍巖水平應力。

由理論計算分析可推得,工作面停采線附近上覆巖層破碎、裂隙、彎曲下沉可引起端部覆巖向內部擠壓而形成較大變形,其影響范圍十分廣泛;二采區車場巷道群的圍巖原有應力劇烈增加,而且垂直應力大于水平應力,這對于整體巷道群圍巖穩定而言,無異致使圍巖應力環境加劇,各巷道的幫部圍巖破壞較明顯,不利于巷道群各巷間的承載結構保持穩定。

3 結論

1)在采動影響條件下,從沿工作面推進方向對煤巖體超前支承壓力分布規律展開研究,結合彈性力學理論分析得到了工作面煤巖體的超前支承壓力分布狀態并簡化為線性載荷分布形式,建立了工作面前方圍巖垂直應力表達式,通過積分求解得到完整的應力分布方程。

2)選取晶鑫煤礦二采區作為研究對象,根據應力分布方程,利用分析軟件得到了二采區工作面采場及車場各巷道所處的圍巖應力分布曲線,從而可判定采區車場的上山巷道基本處在1～1.7倍的原巖應力狀態,車場各繞道、回采巷道及其相應聯絡巷基本處在1.7～3.6倍的原巖應力狀態。

綜上分析可知,在工作面回采末期,盤(采)區車場巷道群圍巖承載體應力集中顯著且影響范圍較廣,不利于各巷間的承載結構穩定,因此在回采支護設計中要加強車場巷道的穩定性,特別是承載能力較弱的交岔巷道支護,確保各巷道在服務年限內的穩定可靠。

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