深井密集巷道群圍巖失穩(wěn)機理及控制效益研究

姜希印， 畢瑞陽， 杜樂樂， 劉體軍， 高偉明， 孫偉超

（1.兗礦集團濟寧二號煤礦， 山東 濟寧 272000；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部煤炭開采教育部重點實驗室礦業(yè)工

程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

在我國煤炭分布情況下，西部煤炭埋藏較淺，中東部地區(qū)煤炭資源埋藏較深，隨著我國煤炭開采深度的不斷增加，深部開采將成為煤炭資源開發(fā)的一種趨勢[1]。在深部開采過程中，礦井的規(guī)模建設(shè)越來越大，井下生產(chǎn)系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，巷道交叉現(xiàn)象越來越多，巷道間距也越來越密集，形成一個巷道群。在巷道群中，大部分巷道開掘在煤層中，圍巖強度較低，受劇烈采動影響，巷道群圍巖變形失穩(wěn)[2]。

在深部開采時，地應(yīng)力導(dǎo)致圍巖與巖層失穩(wěn)，蔡美峰[3]利用地應(yīng)力對采礦工程荷載作用方式的特殊性，闡述了地應(yīng)力控制采礦開挖過程和巖層穩(wěn)定性的力學(xué)機理。黃炳香等[4]從應(yīng)力強度出發(fā)，采用現(xiàn)場調(diào)研與試驗、數(shù)值模擬和理論分析等方法，從工程實踐和力學(xué)理論的角度出發(fā)，明確了巷道強采動和大變形的概念，并初步提出了深部采動巷道圍巖流變和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)大變形理論框架。張農(nóng)等[5-7]根據(jù)頂板巖層垮落、巷道強度、水平距離、垂直距離、巷道斷面形狀等對高地應(yīng)力巷道圍巖影響，提出巷道群圍巖控制的最優(yōu)空間關(guān)系確定方法。張寧等[8]利用ABAQUS有限元軟件，分析了深井鄰近巷道開挖的擾動對巷道原有的應(yīng)力影響，得出了淺部巷道的間距不適于深井巷道，需要采取相應(yīng)的支護措施加強圍巖控制，保證巷道的圍巖穩(wěn)定。秦二濤等[9]研究了速率對圍巖穩(wěn)定性的影響，得出掘進(jìn)的擾動影響發(fā)生在巷道四個角點位置，并且增大掘進(jìn)速率，可以有效減小巷道變形，有利于巷道圍巖穩(wěn)定。李曉輝[10]針對黃陵二號煤礦巷道出現(xiàn)的圍巖變形情況，采用多點位移計對礦井回采巷道的圍巖變形進(jìn)行量化監(jiān)測，分析了巷道圍巖變形與位移特點及其影響因素。

兗礦集團濟寧二號煤礦（全文簡稱濟寧二號煤礦）位于山東省境內(nèi)，采深已超過700 m，屬于高應(yīng)力礦井。本文以濟寧二號煤礦-740 mm 水平四條大巷為研究對象，該四條大巷由于相互間距離較近且受兩翼工作面采動影響，巷道變形嚴(yán)重。現(xiàn)通過理論分析與FLAC3D 模擬相結(jié)合的方式，對四條巷道相互間的影響情況及工作面回采對其鄰近巷道的影響進(jìn)行研究，從而確定合理的工作面停采線位置。

1 巷道群基本概況

濟寧二號煤礦-740 mm 水平，如下頁圖1 所示，有輔助運輸大巷、膠帶輸送機大巷、回風(fēng)大巷、軌道大巷四條大巷，至今有近20 a 的服務(wù)年限，承擔(dān)著礦井-740 mm 水平各生產(chǎn)系統(tǒng)的運行任務(wù)，受采動與地質(zhì)條件影響，巖巷、煤巷、半煤巖巷較多，并且該水平巷道圍巖條件復(fù)雜、斷層數(shù)量多、巷道群密集程度高等，增加了生產(chǎn)難度與成本；巷道開采深度大，其所處的高地應(yīng)力環(huán)境，使巷道變形量大，制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。

通過現(xiàn)場觀測顯示，巷道頂板出現(xiàn)破碎，巷道跨度大，平均超過5 m，而該水平大巷采用原有的支護錨桿長度僅2.2 m，有效長度2.1 m，理論上無法形成長期穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道變形破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，因此該水平四條大巷整體圍巖控制效果需要增強。如圖2 所示，巷道的變形破壞形式主要為頂板的破碎使得錨網(wǎng)下沉，其中巷道有些部部出現(xiàn)冒頂。由于采動影響，使巷道破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴大，因此巷道兩側(cè)工作面回采是巷道失穩(wěn)的原因，且支護方案強度不夠，導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)下沉、冒頂?shù)葐栴}。

圖1 濟二礦-740 mm 水平四條大巷布置平面圖（mm）

圖2 巷道破壞情況圖

大巷間水平距離較近，在-740 mm 水平四條大巷平均水平間距分別為30 m、50 m，停采線距離巷道最近處僅為40 m，巷道間的水平距離以及回采工作面與巷道的水平間距會對巷道破壞程度造成影響。在淺部礦井時，停采線與巷道水平間距近，由于地應(yīng)力小，尚能滿足巷道安全，但隨著深度的增加，巷道覆蓋巖層載荷增大，巷道圍巖應(yīng)力也隨之增大，工作面對其巷道群的擾動效應(yīng)也隨之增大。大巷是井下服務(wù)年限較長的巷道，因此巷道群與停采線的最佳安全距離是保證巷道穩(wěn)定的重要因素。

對于該礦井-740 mm 水平工作面采用兩翼式平行開采，致使其巷道群密集度高。當(dāng)采用兩翼開采時，工作面使用的順槽、硐室、井底車場等，巷道數(shù)量多，因此構(gòu)成的巷道群，致使其所受應(yīng)力相互疊加，因此主體大巷受到多次強烈的采動影響，致使主體巷道變形。

2 深井密集巷道群失穩(wěn)機理分析

礦井建設(shè)時期，井下巷道開挖會使應(yīng)力重新分布，巷道開挖后圍巖徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均經(jīng)歷“卸壓—回升—波動—穩(wěn)定”四個階段，卸壓階段應(yīng)力快速釋放，且越靠近臨空面，應(yīng)力釋放越劇烈[11]。基于彈性力學(xué)理論，引入巖體破壞準(zhǔn)則，可得知在巷道幫上部巖體最易因開挖擾動而出現(xiàn)破壞[12]。在淺部礦井中，由于地應(yīng)力小，對周圍的圍巖和力學(xué)平衡造成的宏觀破壞不明顯，但是在濟寧二煤礦-740 mm 水平的深井中，高地應(yīng)力會破壞原有的平衡，對巷道產(chǎn)生巨大影響。因此，為了保障礦井能安全高效生產(chǎn)，則必須確定合適的巷道水平間距，以及工作面停采線的位置和區(qū)段煤柱的寬度。

2.1 巷道水平間距分析

模型的建立采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對巷道進(jìn)行模擬，并且根據(jù)深井圍巖特性，運用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，模擬巷道參數(shù)如表1 所示。

表1 模擬巷道參數(shù) m

圍巖參數(shù)賦值后，運用FLAC3D 模擬軟件，兩巷道水平距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m，所建立的實驗數(shù)值模擬情況如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模型

2.1.1 垂直應(yīng)力分布特征

圖4 不同水平距離下巷道垂直應(yīng)力云圖（MPa）

根據(jù)圖4 中云圖顯示，4-1 圖中，當(dāng)兩條巷道水平距離為10m時，矩形煤巷頂板和底板的垂直應(yīng)力分布區(qū)域大于拱形巖巷的分布區(qū)域。兩者的應(yīng)力區(qū)相互疊加，在兩巷道水平距離中間位置形成應(yīng)力疊加區(qū)，即應(yīng)力擾動區(qū)，形成了20～32 MPa 的應(yīng)力疊加區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)域最大垂直應(yīng)力為32 MPa。兩巷之間的原應(yīng)力區(qū)相互作用，完全形成不可分割的融合疊加區(qū)，這說明在水平距離10m處，兩巷之間有應(yīng)力集中區(qū)，存在嚴(yán)重的擾動，有顯著的疊加和不穩(wěn)定狀態(tài)。圖4-1 中，當(dāng)巷道水平間距為20m時，巷道之間的應(yīng)力疊加區(qū)域減小為20～26 MPa。此時仍存在高應(yīng)力疊加區(qū)，但云圖中應(yīng)力區(qū)已呈現(xiàn)出分離的狀態(tài)。在圖4-3 中30m處的水平距離處，這種狀態(tài)顯現(xiàn)的更加清楚，可以清楚地看到，它們之間的高應(yīng)力區(qū)域在零點處完全分離，不再疊加，此時巷道間擾動效應(yīng)不明顯，巷道穩(wěn)定性高。這種穩(wěn)定狀態(tài)在圖4-4 中水平距離為40m時進(jìn)一步體現(xiàn)，巷道高應(yīng)力區(qū)隔距大，外層低應(yīng)力疊加區(qū)也隔距大。當(dāng)水平距離大于30m時，兩巷道垂直應(yīng)力分布相互開始獨立，隨著巷道水平間距的增大，兩巷道之間的應(yīng)力集中區(qū)域不斷減小，巷道的應(yīng)力分布區(qū)域增加，此時擾動效應(yīng)減小。

2.1.2 水平應(yīng)力分布特征

通過實驗選取不同水平間距，分析巷道圍巖水平應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 不同水平距離下巷道水平應(yīng)力云圖（MPa）

根據(jù)云圖結(jié)果顯示，圖5-1 中兩個巷道的水平間距為10m時，此時煤巷與巖巷頂部和底部均出現(xiàn)了高應(yīng)力集中區(qū)，并向豎直方向巖石，底部區(qū)域有所靠攏，形成了應(yīng)力貫通區(qū)，水平應(yīng)力出現(xiàn)疊加。圖5-2 中兩巷道間水平距離為20m時，巷道頂部和底部的應(yīng)力區(qū)已不再貫通，但依舊有靠攏的情況，在垂直方向上，應(yīng)力分布依舊會疊加。圖5-3 中水平間距為30m時，煤巷與巖巷的應(yīng)力沿豎直方向分布，兩巷道呈現(xiàn)獨自穩(wěn)定狀態(tài)，不再產(chǎn)生應(yīng)力擾動。圖5-4 中巷道間距為40m時，應(yīng)力分布亦不產(chǎn)生擾動。由此可以得出，當(dāng)兩巷道水平間距大于30m時，兩巷道之間不存在擾動影響。

2.1.3 剪切應(yīng)力分布特征

不同水平距離下巷道圍巖剪切應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 不同方案下巷道剪切應(yīng)力云圖（MPa）

根據(jù)圖6云圖顯示，圖6-1中在兩巷道水平間距為10m時，由于煤巷位置高于巖巷，在巖巷的右上方與煤巷的左下方，會發(fā)生剪切應(yīng)力貫通，形成一個大小為0～6 MPa 的疊加區(qū)域，引起較大的剪切應(yīng)力擾動。圖6-2中水平間距為20m時，兩巷道間的剪切應(yīng)力分布不再重疊，剪切應(yīng)力峰值為7～8 MPa，應(yīng)力數(shù)值變化不明顯。在圖6-3、圖6-4 中剪切應(yīng)力開始獨立互補影響，應(yīng)力分布區(qū)域出現(xiàn)蝴蝶狀對稱，云圖表明，剪切應(yīng)力在水平距離大于20m時應(yīng)力擾動互不影響。

2.1.4 塑性區(qū)分布

數(shù)值模擬巷道圍巖塑性區(qū)結(jié)果見圖7。

由圖7 的數(shù)值模擬圖可以看出，圖7-1中兩巷道在水平距離為10m時，拱形巖巷的塑性區(qū)小于矩形煤巷，在水平和垂直方向均較淺。由于兩巷道間的相互影響，巷道的塑性分布區(qū)并未出現(xiàn)軸對稱，且?guī)r巷底板發(fā)生剪切拉伸破壞量大于煤巷，但巖巷頂板和兩幫發(fā)生剪切破壞深度為3.2 m，煤巷再加上自身煤體力學(xué)因素，兩幫和頂板破壞深度達(dá)到了6.4 m。在圖7-2 中，兩巷間水平距離為20m時，巖巷幫部塑性區(qū)深度減少了0.8m，煤巷幫部塑性區(qū)減小了1.6 m，底板塑性區(qū)面積也相對減小。在圖7-3、圖7-4 中，塑性區(qū)分布面積沒有發(fā)生明顯的變化，但巷道塑性區(qū)應(yīng)力分布開始出現(xiàn)了軸對稱，結(jié)果表明，兩巷間距大于30m時，塑性區(qū)的擾動影響消失。

圖7 不同水平距離下巷道塑性區(qū)分布圖

2.2 工作面回采對巷道穩(wěn)定性影響分析

2.2.1 垂直應(yīng)力分布特征

圖8 為工作面停采線距巷道30～80 m，受不同停采線位置影響垂直應(yīng)力分布圖。

圖8 不同方案下巷道群垂直應(yīng)力云圖（MPa）

由圖8 模擬云圖顯示，圖8-1 中停采線與巷道間距為30m時，存在30 MPa 應(yīng)力疊加區(qū)，在圖8-2中停采線與巷道間距40m時，存在26 MPa 應(yīng)力疊加區(qū)，在圖8-3 中停采線與巷道間距50m時，存在20 MPa 應(yīng)力疊加區(qū)且范圍較大，此時巷道群極不穩(wěn)定。在圖8-4 中，當(dāng)距離為60m時，20 MPa 應(yīng)力疊加區(qū)不斷減小，并開始向深部轉(zhuǎn)移，此時對巷道的擾動較小；在圖8-5 中，距離為70m時，應(yīng)力疊加區(qū)已經(jīng)向巷道底部位置深部轉(zhuǎn)移，煤巷的應(yīng)力分布出現(xiàn)軸對稱，巷道處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；圖8-6 中，距離為80m時，應(yīng)力疊加轉(zhuǎn)移到了更深部，在垂直方向上，回采工作面對煤巷基本無應(yīng)力擾動。隨著停采線與巷道距離不斷增大，其應(yīng)力疊加區(qū)不斷轉(zhuǎn)向更深部，巷道群受應(yīng)力擾動影響也減小。

2.2.2 水平應(yīng)力分布特征

圖9 不同方案下巷道水平應(yīng)力云圖（MPa）

由圖9 云圖顯示，在圖9-1 中，停采線與巷道間距30m時，工作面回采對煤巷的影響最劇烈，煤巷與工作面之間會形成一個近30m寬的高達(dá)30 MPa的高水平應(yīng)力集中區(qū)，并與煤巷頂部和底部貫通。由于受到采動影響，巷道頂部和底部的應(yīng)力延伸方向靠攏，巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài)；圖9-2、圖9-3、圖9-4可以看出，停采線與巷道間距由40～60m時，工作面對巷道群的擾動影響不斷減小，應(yīng)力集中區(qū)域也減小；在圖9-5、圖9-6 中，距離大于70m時，工作面基本不再對巷道群產(chǎn)生影響，巷道應(yīng)力呈軸對稱分布，巷道群處于獨立穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 剪切應(yīng)力分布特征

由下頁圖10 中剪切應(yīng)力云圖顯示，在圖10-1、圖10-2、圖10-3 中，停采線與巷道間距為30～50 m之間時，工作面對煤巷右上方會產(chǎn)生剪切影響，但隨著距離增大，對煤巷的剪切影響逐漸減小，應(yīng)力集中程度減??；在圖10-4 中，距離為60m時，工作面端部與煤巷的應(yīng)力集中區(qū)分離；在圖10-5、圖10-6中，距離大于70m時，工作面回采對巷道的影響基本消失，此時巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 不同方案下巷道剪切應(yīng)力云圖（MPa）

3 圍巖位移控制效應(yīng)量分析

通過以上的數(shù)值模擬分析得出，兩巷水平間距為30 m，停采線距離為70m時，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，再繼續(xù)增加間距，巷道圍巖應(yīng)力并無明顯變化。在工程實踐中，需要尋找一個有據(jù)的平衡點，在滿足安全生產(chǎn)的前提下，來保證巷道穩(wěn)定和經(jīng)濟效益，因此引入統(tǒng)計學(xué)概念“效應(yīng)量”，從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，得到最優(yōu)的分析結(jié)果。

3.1 巷道水平間距

結(jié)合模擬得到的巷道圍巖變形量，結(jié)合效應(yīng)量計算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)運算和統(tǒng)計后，得到表1 所示的數(shù)據(jù)。煤層大巷圍巖控制效應(yīng)量如表2 所示。

表1 巖巷各組圍巖控制效應(yīng)量

將表1、表2 中的數(shù)據(jù)抽離，可以得出巷道圍巖各組控制效應(yīng)量與期待效應(yīng)量之間存在的函數(shù)關(guān)系，如圖11 所示。

在圖11 中可得出，圍巖控制效應(yīng)量不斷降低，表明實驗組選用每增加10m間距的方式，來降低巷道圍巖的變形量，其效果顯著。在距離為40m時，兩巷頂?shù)装搴蛶筒繃鷰r控制效應(yīng)量均低于各自期待效應(yīng)量，此時的控制效果不顯著，即在水平距離為30m時，巷道圍巖控制效果最佳。

表2 煤巷各組圍巖控制效應(yīng)量

圖11 巷道圍巖控制效應(yīng)量

3.2 停采線位置

結(jié)合模擬得到的巷道圍巖變形量，結(jié)合效益量計算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)運算和統(tǒng)計后，得到表3。

表3 煤巷各組圍巖控制效應(yīng)量

將表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽離，得出函數(shù)曲線，具體如圖12 所示。

圖12 煤巷巷道圍巖控制效應(yīng)量

圖12 中顯示，停采線與巷道距離在30m時，效應(yīng)量最高為1.19，隨著停采線與巷道間距的增大，變形量明顯減小，此時可通過增加煤柱的寬度來達(dá)到控制效果。在間距為70m時，巷道頂?shù)装搴蛶筒康男?yīng)量均低于各自期待效應(yīng)量，此時繼續(xù)增大停采線與巷道的間距，圍巖變形量變化不明顯；在間距為80m時，效應(yīng)量趨于0，巷道的變形量在1 mm 左右，此時保護煤柱的預(yù)留寬度過剩，造成了資源的浪費。

4 現(xiàn)場圍巖控制應(yīng)用

基于上述分析，在大巷間距不能調(diào)整的前提下，對停采線的位置進(jìn)行了優(yōu)化，得出了最佳停采線位置，并對巷道圍巖進(jìn)行了加強支護。

4.1 停采線與大巷位置

通過數(shù)值模擬后，得出停采線與巷道最佳安全距離為70 m，即大于70m時，巷道不會受到工作面的采動影響，即工程實踐中工作面停采線與大巷位置關(guān)系，如圖13 所示。

圖13 停采線與巷道群位置（mm）

4.2 巷道圍巖支護方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對巷道失穩(wěn)采取新的支護方案：噴注錨方案。針對巷道受采動影響強烈、斷層數(shù)目多、圍巖破碎；方案以高強長錨桿、錨索結(jié)合注漿加固形成聯(lián)合支護。通過采取聯(lián)合支護技術(shù)，使巷道保持長期穩(wěn)定的效果。

4.3 巷道圍巖變形量監(jiān)測

為了對圍巖支護控制效果的研究，選取離停采線最近的巷道進(jìn)行監(jiān)測，在巷道內(nèi)每隔50m設(shè)一個測站，主要監(jiān)測巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r的位移量，具體監(jiān)測曲線如圖14 所示。

圖14 巷道圍巖位移量變化曲線

由圖14 可以看出，巷道頂?shù)装逶谟^測0～50 d內(nèi)，相對位移量增加了137～185 mm，在觀測54 d后，頂?shù)装宓南鄬ξ灰屏课窗l(fā)生變化，150 d 后，巷道頂?shù)装宓奈灰扑俣冉禐?；巷道幫部位移量在0～54 d內(nèi)增加了122～153 mm，150 d 后，幫部相對位移速度降為0。

5 結(jié)論

1）通過對濟寧二號煤礦巷道水平間距進(jìn)行了模擬，結(jié)果驗證了間距為30m時，可以得出最優(yōu)的結(jié)果，在此間距下，巷道間的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和剪切應(yīng)力區(qū)域不再貫通，不會產(chǎn)生相對擾動。而巷道間原有的水平距離大于30 m，因此巷道之間不存在相互擾動，可得出濟寧二號煤礦巷道間距并不是巷道圍巖失穩(wěn)的主要原因。

2）通過對濟二礦停采線與巷道間距進(jìn)行模擬，結(jié)果驗證了當(dāng)停采線與輔助運輸大巷間距為40 m時，回采的擾動對該大巷造成了影響，此時該大巷存在高應(yīng)力集中區(qū)。通過6 組不同間距的實驗結(jié)果分析，當(dāng)停采線與巷道間距為70m時，應(yīng)力區(qū)域不再貫通，此時再增大間距，應(yīng)力區(qū)域變化不明顯，可得出70m為最優(yōu)安全間距。

3）在對巷道圍巖進(jìn)行變形量分析時，引入了效應(yīng)量，可以直觀地反應(yīng)增加煤柱對巷道圍巖控制起到的效果，結(jié)合圍巖應(yīng)力分布區(qū)域，可得出最優(yōu)的保護煤柱寬度，可以減少資源的浪費，最大效益的進(jìn)行安全開采。

4）通過現(xiàn)場實踐監(jiān)測得出，通過一系列的理論分析和數(shù)值模擬，采取相應(yīng)的圍巖控制措施，使巷道群在后期生產(chǎn)過程中，并未出現(xiàn)變形，圍巖控制效果良好，經(jīng)濟效益顯著。