采空區側向壓力對巷道穩定性影響分析

智國軍 霍曉林 程葉

摘 要：以1105工作面為研究對象，分析了采空區側壓圍巖變形破壞機理，采用RFPA對1105工作面推采到200m、400m、600m時工作面巷道及煤柱變形破壞情況進行分析，通過主應力圖和聲發射圖以及不同推進度時頂板下沉量、底板底鼓量、工作面側煤幫變形量和煤柱側煤幫變形量，分析得到采空側壓和超前支承壓力增加幅度大是巷道圍巖變形量大主因。

關鍵詞：采空區;側壓;穩定性;變形破壞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.090

臨近采空區開掘的巷道會受到采空區側向支承壓力的影響，使得巷道在開掘過程中出現強烈的礦壓顯現。巷道圍巖在側向支承壓力的作用下容易形成應力集中區，圍巖由彈性狀態轉化為塑性狀態，巷道圍巖出現變現破壞，容易出現冒頂、片幫、底鼓等災害，影響礦井的安全生產。因此，對于采空區側壓影響下巷道圍巖變形規律的研究，確定影響巷道變形破壞的因素，分析圍巖變形破壞的規律，為礦井后續的支護工作提供理論基礎，為工作面的安全回采提供保障。

1 工作面概況

1105工作面位于軌道下山以東;北側為已回采結束的1103工作面，中間煤柱為6m;南側及北側為實體煤。工作面主采1號煤層，平均厚度1.60m，平均傾角9°。1105工作面和1103工作面采空區之間僅有 6m煤柱，造成1105工作面在臨近大采空區的環境下進行開采，因此1105工作面開采時受采空側壓影響容易發生變形失穩。

2 采空區側壓圍巖變形機理

當工作面相鄰僅有一個采空區時，上覆巖層斷裂的深度較小，工作面沿空側形成較小的懸臂結構，采空區上部巖層的力通過懸臂結構向工作面沿空巷道一側轉移，由于巷道布置在低應力的環境中，應力增加的不明顯，暫時圍巖不會發生變形破壞;當工作面相鄰有兩個或多個采空區時，上覆巖層斷裂的深度大，工作面沿空側形成大的懸臂結構，采空區上部巖層的力通過懸臂結構向工作面沿空巷道一側轉移，會造成大懸臂結構的突然斷裂，應力全部向巷道上部轉移，會發生巖層側向失穩造成巷道圍巖變形破壞，其破壞機理如圖1所示。

圖中，G1增大，即巷道邊緣的巖層厚度增大，傳遞到巷道上的力增大，同等條件下，緩沉帶下降大，傳遞到巖層上的力增加。

式中：G1—轉移到懸臂結構的力;

yn—巖層傳遞力;

Ki—采空區承載力。

當相鄰有兩個（多個）采空區時，隨著開采的進行，上覆巖層破壞的深度越來越大，則yn不斷的增大，而Ki幾乎不會產生變化，造成懸臂結構承載的力突然的增大，發生斷裂。當側向懸臂結構出現突然斷裂時，造成應力突變式增大，應力轉移到巷道煤柱側的深度增大，應力破壞范圍大，能量足，形成巷道失穩變形破壞。

由圖2懸臂結構未斷裂時支承壓力分布圖和懸臂結構斷裂時支承壓力分布圖可以看出，當懸臂結構斷裂，應力突變增大，影響范圍變大，峰值范圍變大，使巷道處于高應力區，從而對巷道產生破壞。

3 采空區測壓影響范圍數值模擬

3.1 模擬方案

采用RFPA對1105工作面推采到200m、400m、600m時側向支承壓力及巷道圍巖變形進行數值模擬，通過對主應力、聲發射和應力分布曲線和巷道圍巖變形曲線的總結和研究，分析工作面推采到不同距離時軌道順槽應力及巷道變形情況。以1105工作面地質條件設定材料參數建立50 m×50 m×40 m模型，模型垂直方向施加5MPa載荷，材料參數如表 1 所示。

3.2 模擬結果分析

圖3為1105工作面推采到200m、400m、600m時工作面巷道及煤柱變形破壞主應力圖和發射圖。

由圖3可知，隨著工作面向前推進，巷道圍巖由于應力集中開始出現變形破壞。根據工作面推采到200m時主應力圖可知，集中應力主要出現在煤柱和巷道兩側，隨著時間的推移，煤柱兩側集中應力變小，其主要原因是工作面推采導致煤柱變形破壞，應力向煤體深部轉移。根據聲發射圖可知，聲發射主要出現在煤柱內和靠近煤柱側巷道底板，隨著時間的推移，聲發射逐漸減小，說明工作面向前推采導致煤柱和巷道底板出現圍巖變形破壞的現象，其主要變形為巷道出現底鼓和煤柱側幫內移。

由圖可知，隨著工作面推進距離的增大，巷道主應力和聲發射破壞程度和影響范圍增大。但是其變形破壞規律與工作面推采到200m時相似，煤柱和巷道底板出現變形破壞情況。

4 不同推采度巷道及煤柱變形破壞分析

表2為采用RFPA模擬軟件模擬2309工作面推采到200m、400m和600m時軌道順槽變形量數據表。

由表2可知，工作面推采到200m、400m和600m時，軌道順槽頂底板和兩幫均出現了較大變形，并且以底板底鼓和兩幫移近為主，其中煤柱側煤幫變形量和煤柱側底板底鼓最為嚴重。其中400m處頂板下沉量、底板底鼓量、工作面側煤幫變形量和煤柱側煤幫變形量分別是200m處的1.27倍、1.30倍、1.23倍和1.24倍;而600m處頂板下沉量、底板底鼓量、工作面側煤幫變形量和煤柱側煤幫變形量分別只是400m處的1.02倍、1.04倍、1.02倍和1.04倍。

5 結論

（1）以1105工作面為研究對象，分析了采空區側壓圍巖變形破壞機理，工作面沿空側形成大的懸臂結構，容易形成應力集中，當集中的應力突然釋放會造成巖層側向失穩造成巷道圍巖變形破壞。

（2）采用RFPA對1105工作面推采到200m、400m、600m時工作面巷道及煤柱變形破壞情況進行分析，得出巷道不同推采度時巷道圍巖變形破壞應力圖。并通過不同推進度時頂板下沉量、底板底鼓量、工作面側煤幫變形量和煤柱側煤幫變形量，分析得到采空側壓和超前支承壓力增加幅度大是巷道圍巖變形量大主因。

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作者簡介：智國軍（1988-），男，山西大同人，本科，助理工程師，技術主管，從事巷道掘進技術管理工作。