水平應力影響下深部近距離巷道圍巖穩定性研究

代長春 馬 寧 楊 洋 程文武

(1.兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東省濟寧市，272069；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590)

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，地質條件日益復雜，水平應力常常大于垂直應力，給深部巷道支護提出了新的挑戰。工程實踐表明，水平應力對巷道圍巖影響具有明顯的方向性，與垂直應力為最大主應力的情況相比，巷道圍巖應力分布及變形破壞存在明顯的差異性。因此，研究水平應力對圍巖變形和巷道支護的影響，對于深部巷道圍巖控制和煤礦安全生產具有重要意義。

目前，許多學者對巷道受水平應力影響的圍巖變形規律進行了研究。楊本生等通過相似模擬試驗，研究了深井軟巖巷道受不同水平應力時底板圍巖變形失穩特征及圍巖應力分布狀態。張明建等通過相似模擬試驗，研究了錨網索噴+U型鋼支護巷道在不同水平應力作用下巷道圍巖的變形和破壞特征。孫玉福利用數值模擬軟件，分析了不同巷道軸線與最大水平主應力夾角情況下巷道圍巖應力分布與變形特征。綜上所述，專家學者采用相似模擬和數值分析等方法，在不同水平應力影響下深部巷道支護機理和圍巖變形等方面進行了較為深入的研究，取得了豐富的研究結果。但對近距離復雜開采條件水平應力對巷道圍巖變形破壞影響的研究相對較少。因此，本文在上述研究的基礎上，考慮了濟寧三號煤礦的特殊開采地質條件，以183下05工作面運輸平巷為研究對象，利用FLAC3D有限差分數值模擬軟件，建立未考慮水平應力和考慮水平應力三維數值模型，通過數值模擬對比分析，研究水平應力對受近距離上部煤層采動影響的煤巷圍巖應力分布及變形破壞影響規律，為同類條件巷道圍巖控制提供理論依據。

1 工程背景

圖1 183下05工作面平面布置圖(北部區域)

目前183下05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，巷道向183上06(北)工作面采空區內錯20 m。根據工作面開采設計，運輸平巷沿底板掘進，巷道設計為矩形斷面。巷道高3.8 m，寬4.8 m，平均埋深820 m。

2 數值模擬方法和模型的建立

2.1 FLAC3D數值模擬方案

本文利用FLAC3D數值模擬軟件，根據現場實際情況進行建模與賦參。模型尺寸1150 m(長)×600 m(寬)×110 m(高)，模型左右前后邊界施加水平約束，使邊界水平位移量為零；底部邊界固定，使底部邊界水平、垂直位移量均為零，采用摩爾—庫倫模型，三維數值計算模型如圖2所示。

圖2 三維數值計算模型

2.2 模擬及支護方案

2.2.1 模擬方案

依據濟寧三號煤礦十八采區地應力測試報告，原巖應力場最大主應力為水平應力，其大小為30.82～35.41 MPa，方向為105.58°～118.77°，為垂直應力的1.69～1.81倍，是最小水平主應力的1.23～1.73倍。因此，在建立數值模型時，分為4種模擬方案：方案一，未考慮水平應力、幫部無錨索；方案二，未考慮水平應力、幫部加錨索；方案三，考慮水平應力條件下、幫部無錨索；方案四，考慮水平應力條件下、幫部加錨索。在煤層傾向方向(巷道兩幫側)施加1.75倍垂直應力的水平應力，沿煤層走向(巷道延伸方向)施加1.2倍垂直應力的水平應力。模型模擬開采順序：先回采183上06工作面，然后掘進并支護183下05運輸平巷，最后開采183上07工作面。

2.2.2 支護方案

183下05工作面運輸平巷北段設計為矩形巷道，沿煤層底板掘進，采用錨網(鋼帶)支護，頂板錨桿直徑22 mm，長度2400 mm，設計錨固力不小于150 kN/根，錨桿排距為800 mm；幫部錨桿直徑22 mm，長度2200 mm，設計錨固力不小于100 kN/根，錨桿排距為800 mm。頂部錨索直徑22 mm，長度6000 mm，設計錨固力不小于180 kN/根，斷面錨索排距2400 mm。幫部錨索直徑22 mm，長度6000 mm，設計錨固力不小于180 kN/根，斷面錨索排距2400 mm，布置于靠近183上07工作面側幫部。

3 183下05工作面膠順圍巖加固支護模擬分析

3.1 未考慮水平應力巷道圍巖支護效果分析

3.1.1 方案一

按照“兩票制”相關規定，藥品批發企業開具的銷售發票項目要填寫齊全，《應稅勞務清單》不被認可。因發票“備注”欄空間有限，企業每張發票一般只能開具1至3個品種，發出的一批貨物一般需開具多張發票，空白發票本的使用量大幅增加。因稅務部門對空白發票本的領用量有一定限制，全面執行“兩票制”后，有可能會造成企業空白發票短缺，發票無法隨貨同行，從而影響到企業正常的發貨。

方案一的支護效果如圖3所示。方案一的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，183下05工作面掘進成巷后處于上煤層183上06(北)工作面采空區下，受上煤層采場支承壓力底板傳播應力影響，尤其是183上07工作面開采期間，該工作面超前支承壓力與相鄰采空區側向支承壓力疊加，應力集中程度較高，且靠近183下05工作面運輸平巷，此時，運輸平巷受集中支承壓力底板傳播應力影響最大。由巷道兩幫水平和垂直位移云圖可知，幫部無錨索支護時，運輸平巷左右兩幫最大水平位移分別為150 mm和165 mm，頂板下沉量為25 mm，底板底鼓量為50 mm。

圖3 方案一巷道支護效果圖

圖4 方案一巷道水平位移云圖

圖5 方案一巷道垂直位移云圖

方案一的巷道塑性破壞區如圖6所示。由圖6可知，運輸平巷幫部塑性破壞形式以剪切破壞為主，局部微小區域存在張拉破壞，巷道底板形成規則的剪切破壞塑性區。位于運輸平巷上方的183上06(北)工作面采空區全部處于塑性破壞狀態。

圖6 方案一巷道塑性破壞區圖

綜上所述，未考慮水平應力運輸平巷幫部無錨索支護時，受上煤層183上06(北)工作面采空區及183上07工作面采動影響，產生的應力疊加效應波及到運輸平巷。巷道左右兩幫最大水平位移均為150 mm，頂板下沉量為25 mm，底板底鼓量為50 mm，巷道塑性破壞形式以剪切破壞為主。

3.1.2 方案二

根據支護模擬方案，在靠近183上07工作面運輸平巷幫部布置錨索，如圖7所示。方案二的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，巷道左幫最大位移量為90 mm，右幫最大變形量為145 mm。與巷道幫部未加錨索相比，左幫最大位移量降低了40%，巷道變形量明顯減小；右幫未加錨索，但變形量基本相等。由此可見，左幫加錨索后，控制了圍巖的塑性破碎狀態，使巷道的變形量大幅降低。運輸平巷左幫增加錨索后，巷道頂板下沉量為20 mm，底板底鼓量為50 mm，相對巷道幫部未加錨索，頂底板移近量變化不大。因此運輸平巷左幫加錨索后，有效控制了左幫附近的圍巖變形，但對巷道頂底板未產生明顯的加固作用。

圖7 方案二巷道支護效果圖

圖8 方案二巷道水平位移云圖

圖9 方案二巷道垂直位移云圖

巷道幫部增加錨索后，圍巖塑性破壞仍以剪切破壞為主，局部微小區域出現張拉破壞。由于左幫增加了錨索，幫部圍巖體由原來松散的結構體轉變為有承載能力相對完整的結構體，錨索的錨固作用提高了左幫圍巖的承載能力和巷道穩定性，所以左、右幫的塑性破壞區分布呈現出不對稱性，左幫的塑性破壞區范圍明顯小于右幫，如圖10所示。

綜上所述，在183下05工作面運輸平巷靠近183上07工作面的幫部增加錨索后，與無錨索相比，左幫變形量減小了40%，而右幫變形量基本相等，頂底板移近量變化不大。由此可見，巷道幫部增加錨索后，錨索的錨固作用有效地提高了左幫圍巖體的承載能力，改善了巷道圍巖變形，縮小了巷道左幫的塑性破壞范圍，有利于維護巷道幫部的穩定性，但對巷道頂底板沒有明顯的改善。

圖10 方案二巷道塑性破壞區圖

3.2 考慮水平應力圍巖支護效果分析

3.2.1 方案三

方案三的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，模型施加水平應力后，左幫最大水平位移為395 mm，右幫最大水平位移為406 mm。與未考慮水平應力相比，左幫水平位移變形量增加了163%，右幫水平位移變形量增加了146%。由此可知，考慮水平應力影響后，巷道幫部水平位移量明顯增大。水平應力同樣對頂底板移近量影響顯著，頂板下沉量為240 mm，底板移近量為357 mm。與未考慮水平應力相比，巷道頂底板移近量明顯增大，頂板最大下沉量增加了860%，底板最大底鼓量增加了614%。

圖11 方案三巷道水平位移云圖

與未考慮水平應力相比，運輸平巷圍巖塑性破壞區范圍顯著增大。在水平應力的影響下，巷道的頂板產生了“倒梯形”大面積破壞，巷道的底板也產生了大面積的塑性破壞區，如圖13所示。右幫的塑性破壞面積較左幫更大，頂底板和幫部的塑性破壞以剪切破壞為主。由此說明，在考慮水平應力影響下，巷道圍巖變形和塑性破壞范圍顯著增大，使巷道的維護難度加大。

圖12 方案三巷道垂直位移云圖

圖13 方案三巷道塑性破壞區圖

綜上所述，考慮水平應力幫部無錨索時，與未考慮水平應力相比，左幫水平位移變形量增加了163%，右幫水平位移變形量增加了146%，頂板最大下沉量增加了860%，底板最大底鼓量增加了614%，巷道圍巖變形量及塑性破壞范圍顯著增大，頂底板移近量增加最為顯著。這是由于水平應力使巷道周圍的煤巖體產生了應力集中，超出了煤巖體的承受極限，引發巷道變形和塑性破壞加劇，使巷道的維護難度進一步加大。

3.2.2 方案四

方案四的巷道水平位移和垂直位移云圖分別如圖14和圖15所示。由圖14和圖15可知，運輸平巷左幫增加錨索后，左幫最大位移量為300 mm，右幫最大位移量為395 mm，巷道頂板下沉量為210 mm，底板底鼓量為350 mm。與考慮水平應力幫部無錨索相比，左幫最大位移量減小了24%，右幫位移量變化不大；頂板下沉量減小了13%，底板底鼓量變化不大。與未考慮水平應力幫部加錨索相比，左幫最大位移量增加了200%，右幫最大位移量增加了172%，頂板變形量增加了950%，底板底鼓量增加了600%，巷道兩幫位移量和頂底板移近量顯著增大。

圖14 方案四巷道水平位移云圖

圖15 方案四巷道垂直位移云圖

巷道幫部加錨索后，巷道頂板產生了大范圍的塑性破壞區，但底板塑性區比頂板塑性區破壞范圍小。與考慮水平應力幫部無錨索相比，巷道的左幫和底板塑性破壞范圍大幅減小，而巷道右幫和頂板塑性破壞區變化不大，這是由于左幫施加了高預緊力的錨索，錨索產生的錨固作用，縮小了左幫和底板附近的圍巖破碎范圍。與未考慮水平應力幫部加錨索相比，巷道左幫的塑性破壞范圍變化不大，但巷道頂底板移近量和右幫的位移變化量增加顯著，圍巖塑性破壞仍以剪切破壞為主，并在水平應力作用下形成了大范圍的塑性破壞區，如圖16所示。

圖16 方案四巷道塑性破壞區圖

綜上所述，考慮水平應力幫部加錨索時，與考慮水平應力幫部無錨索相比，左幫最大位移量減小了24%，右幫位移量變化不大，頂板下沉量減小了13%，底板底鼓量變化不大。與未考慮水平應力幫部加錨索相比，左幫最大位移量增加了200%，右幫最大位移量增加了172%，頂板變形量增加了950%，變形量增加了600%，巷道的左幫和底板塑性破壞范圍大幅減小，而巷道右幫和頂板塑性破壞區變化不大。

與未考慮水平應力相比，考慮水平應力的影響時，無論巷道左幫有無錨索支護，巷道左右幫部變形量與頂底板移近量均顯著增大，巷道圍巖穩定性均有所降低，因此水平應力對于巷道的穩定性影響十分顯著。

4 結論

(1)未考慮水平應力時，幫部加錨索支護與不加錨索相比，無錨索幫位移量和頂底板移近量變化不大，錨索幫變形量和塑性破壞區范圍明顯減小，有利于維護運輸平巷幫部的穩定性。

(2)考慮水平應力幫部無錨索時，與未考慮水平應力幫部無錨索相比，巷道兩幫變形量和頂底板移近量及塑性破壞范圍均顯著增大，頂底板移近量增加最為顯著。考慮水平應力幫部加錨索時，與幫部無錨索相比，錨索幫變形量和頂板移近量減小，無錨索幫和底板位移量變化不大；與未考慮水平應力幫部加錨索相比，巷道的錨索幫和底板塑性破壞范圍大幅減小，而巷道無錨索幫和頂板塑性破壞區變化不大。

(3)與未考慮水平應力相比，考慮水平應力的影響時，無論巷道左幫有無錨索支護，巷道兩幫部變形量與頂底板移近量均顯著增大，工作面巷道圍巖的穩定性均有所降低，因此水平應力對于巷道的穩定性影響十分顯著。