李家壕礦22 中116 工作面末采期間回撤通道圍巖破壞特征

賀艷軍，宋亞新，李俊奇，陳 凱，李治平

（1.內蒙古科技大學 礦業研究院，內蒙古 包頭014010；2.神華包頭能源有限責任公司 李家壕煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017000）

回撤通道是綜采工作面進行設備回撤和搬家時主要的使用巷道。回撤通道布置方式導致其所處的應力環境較為特殊，相對于其他回采巷道更容易發生嚴重的圍巖變形[1]。因此，保證回撤通道的穩定，實現工作面設備的快速、順利回撤是礦井安全、高效生產的基礎[2-7]。針對回撤通道受移動超前支承壓力影響劇烈，煤壁片幫嚴重、圍巖變形、末采貫通期間頂板不易控制等難題，吳志剛等通過對工作面回撤通道礦壓規律的實測研究，得出巖層響應和超前壓力傳遞大體經歷4 個階段，即穩定階段、加速階段、顯著階段和突變階段[8]。張金虎通過采用現場實測和理論計算的方法，對末采及回撤期間頂板來壓特征進行了研究，提出在工作面逐漸靠近回撤通道的過程中，頂板運動分為相對穩定、突變運動及顯著運動3 個階段[9]。呂華文通過采用多種手段對預掘回撤通道應用所涉及的力學作用機理進行深入的剖析，提出了工作面剩余煤柱力學分析模型，揭示了工作面剩余煤柱動態力學變化特征[10]。

由于煤礦的地質條件復雜多變，仍需對不同地質條件下，工作面接近回撤通道，即末采期間的巷道礦壓顯現規律進行研究，為此，以李家壕礦為工程背景，結合蝶形破壞理論[11]，研究李家壕煤礦綜采工作面末采期間回撤通道圍巖應力分布及破壞特征，從而為末采期間巷道圍巖控制提供依據。

1 蝶形破壞理論

巷道圍巖在一定的應力條件下會產生蝶形破壞，當巷道圍巖雙向應力比值很大的情況下，巷道圍巖會出現蝶形破壞區，當雙向應力方向發生變化時，蝶葉也會發生旋轉。

巷道圍巖的破壞形態問題往往采用彈塑性力學中圓孔的平面應變模型解決[12-19]。建立的非等壓均質圓形巷道圍巖塑性區計算模型如圖1。

圖1 非等壓均質圓形巷道圍巖塑性區計算模型Fig.1 Calculation model of plastic zone of surrounding rock in non-equal pressure homogeneous circular roadway

非等壓均質圓形巷道圍巖塑性區邊界半徑R0的數學表達式為：

式中：p1、p3為區域應力場最大主應力、最小主應力；C、φ 為煤巖介質的黏聚力、內摩擦角；a 為巷道半徑；θ 為最大主應力p1與水平方向的夾角。

由式（1）可得在不同圍壓條件（p1/p3=η）下巷道圍巖塑性區邊界分布，當區域應力場為雙向等壓時，即η=1，巷道圍巖塑性區為圓形（K1為雙向平衡極限系數）；雙向主應力比值不大時，即1＜η＜K1為橢圓形，雙向主應力比值較大時，即η＞K1為蝶形，對應的塑性區一般形態如圖2。表明區域應力場的雙向主應力比值η=p1/p3控制著巷道圍巖塑性區的形狀，在非等壓狀態下，即使巷道圍巖是均質的，也會出現局部破壞的現象，破壞區域是對稱的4 個蝶葉（蝶形塑性區的最大尺寸部分），蝶葉位于2 個主應力方向夾角的角平分線附近。

2 工程概況

圖2 理論計算圓形巷道塑性區一般形態Fig.2 Theoretical calculation of the general shape of the plastic zone of a circular roadway

李家壕煤礦22 中116 綜采工作面上覆松散層厚10～50 m，上覆基巖厚105～210 m，煤層平均埋藏深度185 m，工作面回采范圍內平均煤厚3 m，煤層傾向南西，煤層傾角0°～3°，屬半暗型煤，節理發育，煤層結構簡單，屬穩定型煤層。

22 中116 綜采工作面位于一水平，是2-2 中煤層一盤區第6 個綜采工作面，22 中116 工作面煤巷沿煤層傾斜方向布置，22 中116 主運巷長2 576 m，22 中116 輔運巷長2 600 m。工作面平面及測點布置圖如圖3。工作面長度為300 m，推進長度2 406 m。回撤通道平行于工作面，自掘出到貫通，隨著工作面的逐步推進，經歷了超前支承壓力影響的全過程，受采動影響尤為強烈，圍巖出現明顯變形。

圖3 工作面平面布置及測點布置圖Fig.3 Working plane layout and measuring point layout

3 末采期間回撤通道應力分布規律及塑性破壞特征

3.1 數值模擬模型

以李家壕煤礦22 中116 綜采工作面地質條件為基礎，建立的數值計算模型如圖4。模型長400 m，寬600 m，總高度150 m。模型邊界條件為：左右2個截面（x＝0，x＝400）上x 方向的位移限制為0；前后2個截面（y＝0，y＝600）上y 方向的位移限制為0；最下面水平面上3 個方向的自由度都為0；最上面水平面上的原巖應力σz＝ρgH。塑性條件采用Mohr－Coulomb強度準則。巖層巖性及巖石力學參數見表1。

圖4 數值模擬計算模型Fig.4 Numerical simulation calculation model

模擬方案：在回撤通道開挖完成后，進行數值計算直至平衡，然后開始進行工作面的回采，從距主回撤通道100 m 開始回采，末采期間取7 種情況進行分析，距離主回撤通道依次為100、50、20、15、10、5、0 m，在計算的過程中，對回撤通道頂板及兩幫煤巖體內垂直應力以及塑性破壞進行分析。

3.2 末采期間回撤通道圍巖應力分布規律

末采期間回撤通道圍巖應力分布規律曲線圖如圖5。工作面末采期間，隨貫通距離的減小，回撤通道最大主應力、最小主應力、垂直應力均呈增大趨勢，但當工作面與回撤通道貫通后，最大主應力突然減小。且工作面前方超前支承壓力影響范圍為20 m，當工作面距離貫通剩余20 m 左右時，主回撤通道開始進入超前支承壓力影響區，隨工作面繼續推進，主回撤受到超前支承壓力的影響越來越大，距離貫通剩余5 m 左右時，開始進入最大影響范圍，直至貫通時，主回撤頂板所受垂直應力達到最大值。

表1 各巖層巖性及巖石力學參數Table 1 Rock properties and rock mechanics parameters of each rock

由圖5（e）可以看出，隨工作面與主回撤貫通，圍壓比從距貫通剩余5 m 時的1.4 左右，變化到貫通時的4.0 左右。說明在工作面與主回撤貫通剩余5 m 左右時，巷道圍巖破壞形態正在由橢圓形形態向蝶形破壞形態演化，且此過程隨圍壓比的增大，碟葉輪廓也逐漸增大，即巷道圍巖破壞范圍逐漸增大。

3.3 末采期間回撤通道圍巖塑性破壞特征

當回撤通道開挖后，巷道圍巖內部的應力重新分布，巷道周邊圍巖產生塑性區，一定時間后，會逐漸趨于穩定。當受到工作面采動影響時，回撤通道圍巖應力又重新分布，圍巖塑性區惡性發展，22 中116工作面距離貫通剩不同距離時圍巖塑性破壞特征圖如圖6。

圖5 末采期間回撤通道圍巖應力分布規律曲線圖Fig.5 Curves diagram of stress distribution law of surrounding rock in retracement channel during terminal mining

回撤通道不受采動影響時，巷道頂板塑性區為1.5 m，底板塑性區為1 m，兩幫塑性區為1 m；當工作面距離回撤通道20 m 時，巷道頂板中部塑性區擴展到2 m，底板靠近正幫處塑性區擴展為1.5 m，兩幫塑性區不變，回撤通道受采動影響不明顯，或者說開始受到采動影響；當工作面距離回撤通道15 m時，巷道頂板塑性區為2 m，但靠近副幫處塑性區增大，底板塑性區仍為2 m，但靠近正幫處塑性區增大，回撤通道受采動影響較為明顯，巷道圍巖變形破壞開始加劇；當工作面距離回撤通道10 m 時，巷道頂底板塑性區擴展較小，正幫塑性區擴展為1.5 m，開始有增大的趨勢；當工作面距離回撤通道5 m時，頂底板塑性區變化不大，兩幫塑性區均擴展為1.5 m，且正幫破壞范圍大于副幫，正幫塑性區即將與工作面前方塑性破壞區連接，回撤通道受采動影響明顯，巷道圍巖變形破壞加劇；當工作面距離回撤通道4 m 時，頂底板塑性區變化不大，副幫塑性區均擴展有所增加，正幫塑性區與工作面前方塑性破壞區連接，主回撤通道與工作面之間煤柱完全破壞；當工作面距離回撤通道3 m 時，頂板塑性區擴展為3 m，底板破壞范圍也增加，頂底板此時受采動影響加劇；當工作面距離回撤通道2 m 時，頂板塑性區擴展為4.5 m，底板塑性區擴展為2.5 m，頂底板此時受采動影響劇烈；當工作面與回撤通道貫通時，巷道上方6 m 范圍內圍巖全部破壞，副幫塑性區破壞范圍也增大，并且與頂板塑性區連接，形成一個巨大的塑性破壞區。

4 現場監測

4.1 頂板圍巖結構及裂隙觀測

在22 中116 工作面主回撤通道里每隔60 m 布置1 個測點，在輔回撤通道每隔40 m 布置1 個測點。通過對觀測后的窺視結果分析得：22 中116 工作面主回撤通道在0～300 m 之間頂板巖性在觀測孔深范圍內除煤以外，還賦存有厚度不等的砂質泥巖、細粒砂巖、泥巖，頂板巖層結合較為簡單，砂質泥巖主要分布于0～3 m 和5～7 m 范圍內，0～5 m 范圍內，含少量0.1～0.3 m 的煤夾層，其余范圍內巖性主要為細粒砂巖。頂板鉆孔柱狀圖如圖7。

圖6 22 中116 工作面距離貫通剩不同距離時圍巖塑性破壞特征圖Fig.6 Plastic failure characteristics of surrounding rock when 116 working faces are separated by different distances

圖7 頂板鉆孔柱狀圖Fig.7 Top hole drilling histogram

在觀測孔深范圍內，巷道頂板完整性較好，靠近輔運輸巷的鉆孔在2 m 范圍內圍巖裂縫發育，破碎嚴重，頂板深部圍巖完好，無破碎，靠近主運輸巷的鉆孔在4～5 m 范圍內裂隙較多，其他范圍內無破碎。頂板裂隙圖如圖8。

圖8 頂板裂隙圖Fig.8 Top plate crack diagram

4.2 巷道表面位移監測

在主回撤通道里每隔40 m 布置1 個測站，共計7 個測站，測站編號為1#～7#；在輔回撤通道每隔30 m 布置1 個測站，共計8 個測站，測站編號為1～8。測站布置圖如圖3。回撤通道表面位移監測曲線如圖9。

由圖9 可知，隨著回采工作面的逐漸推進，巷道兩幫及頂底板移近量呈現增大趨勢，尤其工作面即將與回撤通道貫通階段，變形量突增，其中主回撤變形量大于輔回撤。

1）隨工作面推進，主回撤通道兩幫及頂底板均有位移變化，在工作面距離主回撤大于40 m 時，位移量均在10 mm 左右，當工作面距離主回撤剩余40～30 m 范圍內時，主回撤兩幫及頂底板均發生較大位移變化，位移量在20～30 mm，當工作面距離主回撤剩余10～5 m 范圍內時，主回撤兩幫及頂底板移近量突然普遍增大，其中兩幫80～120 m 范圍內移近量在10～90 mm，兩幫其他范圍內移近量均在100～640 mm，頂底板在0～60 m 范圍內，縮近量在90～250 mm，頂底板其他范圍，縮近量30～110 mm。

2）當工作面距離主回撤剩余90～60 m 范圍內時，輔回撤通道內大范圍的兩幫及頂底板開始發生位移變化，位移量在20～30 mm，最大移近量50 mm，隨工作面繼續推進，輔回撤通道未發生較大位移變化，兩幫移近量普遍在10～30 mm，頂底板縮進量大多也在10～30 mm。

5 結 論

1）工作面末采期間，隨貫通距離減小，主回撤通道圍壓比值不斷增大，從距貫通剩余5 m 時的1.4左右，突增到貫通時的4.0 左右。即在工作面與主回撤貫通剩余5 m 左右時，巷道圍巖破壞形態正在由橢圓形形態向蝶形破壞形態演化，且此過程隨圍壓比的增大，碟葉輪廓也逐漸增大，巷道圍巖破壞范圍也隨之增大。

2）隨著回采工作面的推進，主回撤受到工作面超前支承壓力的影響越來越大，直至推進至回撤通道5 m 內時，開始進入最大影響范圍，此時煤柱垂直應力增至最大，工作面與回撤通道之間的煤柱成為塑性煤柱，煤柱承載能力急劇降低，致使回撤通道錨桿支護能力急劇降低，回撤通道變形嚴重。

3）現場觀測發現，隨著回采工作面的推進，巷道兩幫及頂底板移近量呈現增大趨勢，尤其工作面即將與回撤通道貫通階段，回撤通道受到劇烈的采動影響，且主回撤受影響程度遠大于輔回撤。

4）通過現場觀測，回撤通道圍巖破壞特征與理論分析及數值模擬結果基本吻合，即在工作面推進至距貫通剩余5 m 左右時，隨巷道圍壓比的增大，圍巖破壞范圍也逐漸增大。