復雜采動條件下煤礦巷道圍巖穩定性研究

蔣金泉 李小裕 張培鵬 丁 楠 鄭有雷

(1. 山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省泰安市，271000；2.兗礦集團有限公司濟寧三號煤礦，山東省濟寧市，272171)

科學合理的巷道層位布置及其與工作面之間的采掘關系對于巷道圍巖穩定性至關重要。本文基于濟三礦實際工程地質條件，采用有限差分數值模擬軟件FLAC3D，有針對性地設計3種不同巷道層位及其與工作面采掘關系的模擬方案，研究巷道在復雜采動應力條件下圍巖穩定性規律。

1 工程背景及模型設計

1.1 工程背景

183下05工作面位于18#煤層采區下回風巷的北側，東鄰183下04工作面，西鄰183下06工作面，南至設計停采線，工作面北部上方為183上06(北)采空區(于2014年05月09日停采)，工作面南部上方為183上06(南)工作面(未開采)和183上05采空區，西側為183上07工作面(正準備)，東側為183上04采空區183下05工作面膠帶運輸平巷位于工作面西側，同煤層膠帶運輸平巷西側為未開采區域，西側3上煤層為183上07工作面(正準備)。膠帶運輸平巷北段位于上煤層183上06(北)采空區下方，向采空區內錯距離為20 m；南段位于183上06(南)工作面(未開采)下方。

目前183下05膠帶運輸平巷已掘進至183上06(北)采空區下方，掘進頭位于183上06(北)工作面停采線北側約45 m處，剩余1040 m尚未掘進。根據工作面開采設計，膠帶運輸平巷原則上沿底板掘進，巷道設計為矩形斷面，高3.8 m，寬4.8 m。平均埋藏深度820 m。

膠帶運輸平巷所在煤層為山西組3下煤層，煤層厚2.30～5.54 m，平均厚4.20 m，煤層傾角最大7°，平均3°。上方3上煤層厚0～4.1 m，平均厚2.20 m。北部區域3上煤層與3下煤層間距13～30 m，平均21.5 m。

1.2 模型設計

運用FLAC3D5.0數值模擬軟件對3上煤層工作面及開采過程進行數值模擬，模型以濟三礦地質資料，183上07工作面、183上06工作面膠帶運輸平巷采掘工程平面圖和綜合柱狀圖等為設計依據，進行三維數值模擬，煤巖層物理力學參數見表1，所建模型如圖1所示。

圖1 三維數值模型

表1 模型各巖層的巖石物理力學參數

設計模型走向長度800 m，傾向長度700 m，厚174 m。在走向方向上前后各留設100 m的煤柱，傾向方向上在183上06工作面一側留設100 m煤柱，因183上07工作面較寬，邊界煤柱的留設與否對于開采垮落穩定后巷道圍巖應力效果影響較小，所以在其一側不留設煤柱。

模型選用FLAC軟件自帶的應變軟化力學模型，巖性層位及其參數均按照實際給定的地質資料而設定。

2 開采方案設計

根據183下05工作面膠帶運輸平巷布置層位以及與183上07工作面之間的采掘關系，利用FLAC3D數值模擬軟件，模擬3種方案：

(1)方案一：183下05工作面膠帶運輸平巷先沿底板掘進，183上07工作面后回采；

(2)方案二：183下05工作面膠帶運輸平巷先沿頂板掘進，183上07工作面后回采；

(3)方案三：183上07工作面先回采；183下05工作面膠帶運輸平巷沿頂板掘進。

3 數值模擬結果及分析

3.1 方案一

183下05工作面膠帶運輸平巷先沿底板掘進，183上07工作面后回采，在183上07工作面采動及超前支承壓力與側向支承壓力疊加期間對膠帶運輸平巷巷道的變形破壞影響最大，因此，主要研究183上07工作面回采過程中超前支承壓力與側向支承壓力疊加影響區域的巷道圍巖采動應力分布和變形破壞規律。

方案一巷道垂直應力分布云圖如圖2所示。由圖2可知，巷道開挖后，在巷道兩側煤體內形成應力集中，其中巷道靠近183上07工作面幫側支承壓力峰值大于另外一幫，最大支承壓力為27 MPa，且受183上07工作面底板傳播應力影響嚴重，如圖3所示。巷道采空區側幫部側向支承壓力明顯降低，最大支承壓力為22 MPa，應力集中系數僅1.14，基本上不受183上07工作面底板傳播應力的影響。

圖2 方案一巷道圍巖垂直應力分布云圖

膠帶運輸平巷開掘后，巷道周圍水平應力分布和開掘前出現明顯的不同，巷道頂板內出現明顯的水平應力集中現象，在巷道兩側煤體內同樣出現水平應力集中現象，如圖4所示。183上07工作面側巷道幫部水平應力最大值為15 MPa，采空區側幫部水平應力最大值為14.6 MPa，巷道兩幫水平應力集中最大值相差不大，183上07工作面側巷道幫部水平應力略大于采空區側，如圖5所示。分析原因主要是由于巷道頂板失去支撐，頂板出現下沉，在183上07工作面底板水平應力作用下下沉加劇，巖層內出現應力集中現象，而巷道兩幫由于圍巖采動應力的作用，煤體間產生水平擠壓現象，形成了水平應力。

圖3 方案一巷道垂直應力變化曲線圖

圖4 方案一巷道圍巖水平應力分布云圖

圖5 方案一巷道水平應力變化曲線圖

膠帶運輸平巷成巷后，在3上煤層底板應力和巷道圍巖采動應力疊加作用下，巷道圍巖發生變形破壞，如圖6～圖8所示。

由圖6可以看出，183上07工作面側膠帶運輸平巷幫部最大變形位移為577 mm，采空區側幫部最大變形位移為348 mm，183上07工作面側幫部位移量明顯大于采空區側幫部，主要是由于183上07工作面側垂直應力明顯大于巷道采空區側幫部，造成工作面側幫部煤體破壞嚴重，變形位移量大。

圖6 方案一巷道圍巖水平位移云圖

由圖7可以看出，膠順巷道頂板最大下沉量為131 mm，底板底鼓量為84 mm，頂板下沉量大于底板底鼓量，主要是由于巷道沿底板掘進，頂板為煤層。

圖7 方案一巷道圍巖垂直位移云圖

由圖8可以看出，巷道周圍煤體破壞以剪切破壞為主，主要是在垂直應力和水平應力作用下發生壓剪破壞。當巷道煤體發生破壞后，圍巖向巷道空間產生運移，此時巷道圍巖表面由于彎曲變形過大產生一定程度彎拉破壞。

圖8 方案一巷道圍巖塑性破壞區圖

3.2 方案二

方案二和方案一的采掘順序相同，但在方案二中，膠帶運輸平巷沿頂板掘進。

方案二巷道圍巖垂直應力分布云圖如圖9所示，方案二巷道圍巖水平應力分布云圖如圖10所示。由圖9和圖10可知，對于膠帶運輸平巷沿頂板掘進，巷道兩幫垂直應力和水平應力與巷道沿底板掘進變化不大，基本一致。

圖9 方案二巷道圍巖垂直應力分布云圖

圖10 方案二巷道圍巖水平應力分布云圖

方案二膠帶運輸平巷沿頂板掘進巷道水平位移云圖如圖11所示。由圖11可知，183上07工作面側膠帶運輸平巷幫部最大變形位移為538 mm，采空區側幫部最大變形位移為329 mm，同樣183上07工作面側幫部位移量明顯大于采空區側幫部。

圖11 方案二巷道圍巖水平位移云圖

與巷道沿底板掘進相比，兩幫位移量均出現降低現象，183上07工作面側膠帶運輸平巷幫部變形量減小6.7%，采空區幫巷道圍巖變形量減小5.5%。

方案二膠帶運輸平巷沿頂板掘進巷道垂直位移云圖如圖12所示。由圖12可知，巷道頂板最大下沉量為124 mm，底板底鼓量243 mm，此時巷道底板底鼓量明顯大于頂板下沉量。

圖12 方案二巷道圍巖垂直位移云圖

與巷道沿底板掘進相比，巷道頂板下沉量出現降低，但僅下降5.3%，巷道底板底鼓量明顯增大，增大了近189%。

方案二巷道圍巖塑性破壞區圖如圖13所示。由圖13可知，巷道圍巖同樣以剪切破壞為主，并且在巷道圍巖表面，由于變形量大，造成圍巖表面彎曲變形大，出現不同程度拉破壞。

圖13 方案二巷道圍巖塑性破壞區圖

綜上所述，與巷道沿底板掘進相比，巷道沿頂板掘進，兩幫位移量出現一定程度的降低，但是底板底鼓量顯著增大。由此可見，底板水平應力集中程度明顯高于頂板，巷道沿頂板掘進，底板在水平應力作用下易發生壓剪破壞，出現底鼓。若底鼓變形速度緩慢，將會造成二次臥底，影響巷道運輸；若巷道底鼓瞬間發生，將會誘發底板沖擊動力災害，造成沖擊地壓事故，嚴重影響工作面的安全生產，威脅井下人員的生命健康。因此，對于183下05工作面膠帶運輸平巷，沿底板掘進更加安全合理。

3.3 方案三

183上07工作面先回采，183下05工作面膠帶運輸平巷先沿底板掘進，即在183上07工作面采動及超前支承壓力與側向支承壓力疊加對底板破壞影響后掘進巷道。因此，此次研究183上07工作面膠帶運輸平巷圍巖采動應力分布和變形破壞規律。

方案三膠帶運輸平巷垂直應力分布云圖如圖14所示。由圖14可知，膠帶運輸平巷開挖后，在巷道兩側煤體內形成應力集中，其中巷道靠近183上07采空區幫側支承壓力峰值略大于另外一幫，最大支承壓力為32 MPa，183上06(北)采空區側幫部側最大支承壓力為30 MPa，巷道幫部應力集中系數為1.6，明顯大于方案一巷道兩幫的垂直應力，如圖15所示。這主要是由于183上07工作面開采后，由于3上煤層開采范圍大，上覆巖層達到充分垮落，183下05工作面膠順基本位于傾向采空區中部，上覆垮落巖層已經壓實，巷道圍巖基本處于原巖應力狀態，另外由于巷道埋深大，因此兩幫應力集中程度高。

圖14 方案三巷道圍巖垂直應力分布云圖

圖15 方案三巷道垂直應力變化曲線圖

183上07工作面開采后，膠帶運輸平巷位于采空區壓實區下方，巷道兩側均為采空區，因此在巷道兩幫形成基本對稱的水平應力集中，如圖16所示。膠帶運輸平巷兩幫水平應力最大值相等，均為15.6 MPa，如圖17所示。

方案三巷道水平位移云圖如圖18所示。由圖18可知，183上07采空區側膠帶運輸平巷幫部最大變形位移為437 mm，方案一與方案三相比，183上07采空區側幫部增加了32%。183上06(北)采空區側幫部最大變形位移為322 mm。

圖16 方案三巷道圍巖水平應力分布云圖

圖17 方案三巷道水平應力變化曲線圖

圖18 方案三巷道圍巖水平位移云圖

方案三巷道垂直位移云圖如圖19所示。由圖19可知，膠帶運輸平巷頂板最大下沉量為202 mm，底板底鼓量為138 mm，與方案一相比，頂板下沉量和巷道底鼓量均明顯增大，主要是由于采空區上覆巖層垮落壓實，巷道圍巖處于原巖應力狀態水平應力集中成度高，巷道變形量大。

方案三巷道圍巖塑性破壞區圖如圖20所示。由圖20可知，巷道周圍煤體破壞同樣以剪切破壞為主，主要是在垂直應力和水平應力作用下發生壓剪破壞，巷道圍巖表面同樣由于彎曲變形過大產生一定程度彎拉破壞。

圖19 方案三巷道圍巖垂直位移云圖

圖20 方案三巷道圍巖塑性破壞區圖

由此可見，對于方案三，其巷道頂底板最大變形量明顯大于方案一，兩幫最大變形量與方案一區別不大；但根據方案一，先掘進183下05工作面還將有利于后期工作面接續。

綜合分析，優先選擇方案一，即先掘進183下05工作面膠帶運輸平巷，后開采183上07工作面，且沿底板掘進。

4 結論

通過設計3種采掘方案進行數值模擬分析，研究得到方案二與方案一相比圍巖垂直及水平應力區別小，方案二兩幫移近量較方案一略小，但是底板底鼓量顯著增大。因此，膠帶運輸平巷沿底板掘進更加安全合理。

方案三巷道兩幫的垂直應力明顯大于方案一，頂板下沉和巷道底鼓量均明顯增大，兩幫最大變形量與方案一區別不大，但按照方案一，先掘進183下05工作面有利于后期工作面接續。綜合分析，采用方案一更加合理，本研究可以為相似地質條件下采掘方案布置提供一定的參考。