魏家地煤礦采場底板損傷特性研究

苗在全 張建江

（甘肅靖遠煤電股份有限公司魏家地煤礦）

魏家地煤礦北1103工作面針對瓦斯抽放效率低的問題，于工作面中部增設一條專用通防巷，使工作面形成“兩進一回”的通風方式［1-5］。由于通防巷靠近工作面中部，這導致其圍巖的應力環境及變形特征與采場兩側的順槽有較大差別［6］，另一方面，通防巷的開挖會對工作面底板局部范圍造成卸荷，導致采場底板的破壞特征有別于雙巷布置的采場底板［7-8］。因此，有必要對通防巷圍巖破壞特征以及增設通防巷前后采場底板的損傷特征進行對比分析。

本研究結合魏家地煤礦實際地質條件建立數值模型，從應力、變形以及塑性區分布特征等方面對增設通防巷前后底板的損傷變化情況進行對比分析。

1 工程概況

魏家地煤礦北1103綜放工作面位于北一采區，煤層平均可采厚度約8.07 m，工作面可采走向長為948 m，工作面平均斜長為200 m。采用走向長壁后退式采煤法，沿煤層頂底板回采，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

北1103工作面采用“兩進一回”的通風方式，即沿煤層底板布置一條運輸順槽、一條通防巷和一條回風順槽，巷道采用錨網索噴聯合支護，其中通防巷距回風巷水平距離為77 m。

2 數值模型建立

根據魏家地實際地質情況，采用FLAC3D數值模擬軟件建立地層模型，模型尺寸為300 m×200 m×124.7 m（長×寬×高）。計算時模型四周限制水平位移，底部限制Z方向位移，模型頂部按照600 m埋深施加荷載，側面施加梯形荷載。采用彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb準則，模擬不同工作面推進距離條件下采場及巷道底板的應力和破壞特征。工作面沿y軸方向推進，模型如圖1所示。

各巖層力學參數按照魏家地煤礦提供的設計說明書、地質資料及經驗數據選取，圍巖力學參數見表1。

3 計算結果分析

3.1 通防巷增設前后底板穩定特征對比分析

不同工作面推進步距下增設通防巷前后采場圍巖的垂直應力、變形及破壞的對比情況如圖2～圖4所示。

從應力分布特征可知，在工作面位置處（工作面前方0 m）增設通防巷前后采場底板的應力分布特征差別不大；在工作面前方10 m處，增設通風巷后采場底板的應力集中程度變小，其中通防巷底板的局部范圍處于卸壓狀態；在工作面前方20 m處，增設通風巷后采場底板的應力集中程度和范圍進一步減小；在變形方面，在工作面前方0 m，增設通防巷對采場底板的變形特征無明顯影響，隨著距工作面距離的增加，增設通防巷僅對通防巷底板的局部范圍內的變形量有影響；在塑性區分布方面，增設通防巷前后在距工作面不同距離處對采場底板的破壞特征和破壞范圍無明顯影響。綜上所述，增設通防巷前后，僅對通防巷底板的局部范圍內的穩定性有影響，而對整個采場底板的穩定性影響不大，但值得注意的是，通防巷底板圍巖在應力集中、變形量和破壞范圍等方面均強于回風巷和運輸巷，且差別較大，因此，有必要對比研究通防巷與回風巷和運輸巷的穩定性。

3.2 巷道底板應力分布對比分析

通防巷距離工作面中心位置更近，開采時該位置的采動影響較為劇烈，因此，通防巷的穩定性與回風巷和運輸巷的區別較大。在不同工作面推進步距下，3條巷道在軸向上應力分布特征見圖5～圖7。

在不同推進步距下，回風巷和運輸巷的底板應力分布特征較為一致，而通防巷無論在采空區位置處的卸壓程度還是在巷道底板位置處的卸壓程度，均大于通風巷和運輸巷。這主要因為在工作面推進過程中，回風巷和運輸巷主要受工作面側向支承壓力影響，而通防巷受工作面中部的超前支承壓力影響較大，靠近工作面中部的支承壓力大于側向支承壓力，導致通防巷對采動應力的敏感度更高。

為了更直觀體現巷道底板應力分布規律，對不同推進步距下巷道底板應力分布進行了監測，沿巷道軸向底板應力監測結果如圖8所示。當推進步距為20 m時，通防巷底板應力小于回風巷和運輸巷，通防巷在靠近采空區側實體煤內的支承壓力高于回風巷和運輸巷，而3條巷道在另一側實體煤內的支承壓力相差不大。隨著推進步距增加，通防巷底板應力依然低于回風巷和運輸巷的底板應力，并且回風巷和運輸巷底板應力分布特征保持較高的同步性，運輸巷和回風巷底板應力始終保持在5 MPa左右，通防巷底板應力保持在3 MPa左右。靠近采空區側實體煤內的支承壓力隨推進步距的增加而增加，當推進步距接近60 m時，支撐壓力值趨于穩定。3條巷道在靠近采空區側實體煤內的支承壓力大于另一側實體煤，這主要因為靠近采空區的實體煤內存在較高的固定支承壓力。

由上述分析，通防巷底板應力低于運輸巷和回風巷，這說明開挖后通防巷底板的卸荷擾動程度更大，對采動影響的敏感度也更高。因此，有必要研究通防巷在距工作面不同距離處沿巷道斷面方向的應力分布特征。通防巷距工作面不同距離處的應力分布特征如圖9所示。

在工作面位置處，兩側巷幫內的應力關于巷道中心呈對稱分布，應力值接近10 MPa，且巷道底板應力則呈非對稱分布特征，其中靠近回風巷側底板應力小于靠近運輸巷側底板應力，且應力值較小，介于0～5 MPa；在工作面前方10 m處，兩側巷幫的應力大幅增加，應力值接近30 MPa，且兩側巷幫的應力仍關于巷道中心呈對稱分布，而巷道底板應力小幅增加，應力值介于2～10 MPa，巷道底板關于巷道中心呈對稱分布；在工作面前方20 m處，兩側巷幫的應力小幅增加，應力值接近33 MPa，兩側巷幫的應力仍關于巷道中心呈對稱分布，巷道底板應力變化不大；在工作面前方30 m處，兩側巷幫的應力有所減小，應力值減小至27 MPa左右，且側巷幫的應力仍關于巷道中心呈對稱分布，而巷道底板應力則變化不大。綜上所述，工作面超前支撐壓力在通防巷底板內傳播的峰值點位于工作面前方20～30 m，因此，在實際生產過程中，該范圍內的通防巷底板穩定性需著重注意。

3.3 底板位移分布對比分析

通防巷距工作面中心位置更近，開采時該位置的采動卸荷程度更高，故而通防巷底板的卸荷回彈變形量會更大。因此，有必要對比研究不同工作面推進步距下，3條巷道底板的變形特征。不同推進步距下，3條巷道軸向上的位移分布特征如圖10～圖12所示。

在不同推進步距下，回風巷和運輸巷的底板變形分布特征基本一致，而通防巷在采空區位置處和巷道底板位置處的卸荷回彈變形量均大于通風巷和運輸巷。這主要因為在工作面推進過程中，回風巷和運輸巷主要受工作面側向支承壓力影響，而通防巷受工作面中部的超前支承壓力影響較大，由于超前支承壓力大于側向支承壓力，導致通防巷底板的卸荷擾動程度更高，底板的卸荷回彈變形量更大。

為了更直觀體現巷道底板位移分布規律，對不同推進步距下巷道底板位移量進行了監測，沿巷道軸向底板位移監測結果如圖13所示。當推進步距為20 m時，采空區內運輸巷和回風巷所在位置的底板卸荷回彈變形量相差不大，而通防巷所在位置的底板回彈變形量大于回風巷和運輸巷，這主要由通防巷所在位置的采動卸荷程度更高所導致。隨著距采空區的距離增加，3條巷道底臌量逐漸減小并趨于穩定，通防巷底鼓量在靠近采空區的局部范圍內大于回風巷和運輸巷，說明通防巷底板變形量對采動影響的敏感度更高。隨著推進步距增加，采空區底板的回彈變形量逐漸增加，3條巷道的底臌量變化不大，僅在靠近采空區局部范圍內的底臌量有所增加。實體煤底板的位移量小于零，說明底板巖體處于壓縮狀態，且底板壓縮變形量隨推進步距的增加而逐漸增加并趨于穩定。靠近采空區側實體煤底板的壓縮變形量大于另一側實體煤底板，這主要因為靠近采空區的實體煤內存在較高的固定支承壓力。

由上述分析，通防巷靠近采空區側的底臌量大于運輸巷和回風巷，說明通防巷對采動卸荷的敏感度更高。通防巷距工作面不同距離處的位移分布特征如圖14所示。

在工作面位置處（d=0 m），兩側巷幫內的位移量相差不大，關于巷道中心近似呈對稱分布特征，而巷道底臌量則關于巷道中心呈非對稱分布，其中靠近回風巷一側的底臌量大于另一側。隨著距工作面距離的增加，巷道底板和兩側巷幫底板位移量呈減小趨勢，當巷道斷面距工作面的距離大于10 m時，巷道底板和巷幫底板的變形轉為壓縮狀態，并且巷道底臌量仍呈非對稱分布特征。

3.4 充分采動作用下底板卸壓范圍

充分采動后，采空區和采場底板達到相對穩定狀態［9-10］，本節以采場圍巖的垂直應力分布特征作為參考指標來分析布設通防巷前后采場底板各區域的卸壓范圍，計算結果如圖15所示。

在無通防巷的情況下，工作面位置處底板的最大卸壓深度為10 m，位于兩側回采巷道底板位置處（截面A-A）；在采空區中部沿工作面方向上，底板最大卸壓深度為29 m，卸壓范圍為35 m，位于采空區兩側（截面B-B）；工作面后方底板最大卸壓深度為21 m，卸壓范圍為21 m（截面C-C）。

增設通防巷后，工作面位置處底板的最大卸壓深度為20 m，位于通防巷底板位置處（截面A-A）；在采空區中部沿工作面方向上，底板最大卸壓深度為29 m，卸壓范圍為34 m，位于采空區兩側（截面B-B）；工作面后方底板最大卸壓深度為21 m，卸壓范圍為21 m（截面C-C）。

由上述分析可見，采空區達到充分采動狀態后，增設通防巷對采空區以及工作面附近底板的卸壓深度和卸壓范圍的影響并不大，但通防巷底板卸壓深度要大于運輸巷和回風巷。

4 結 論

（1）基于魏家地煤礦的地層條件和開采條件建立了相關數值模型，分別計算分析了工作面在增設通防巷前后采場底板的應力、位移和塑性區分布特征。計算結果表明，增設通防巷后，僅對通防巷底板的局部范圍內的穩定性有影響，而對整個采場底板的穩定性影響不大，但通防巷底板圍巖在應力集中、變形量和破壞范圍等方面均強于回風巷和運輸巷，且差別較大。

（2）在不同推進步距下，回風巷和運輸巷的底板應力和變形分布特征較為一致，而通防巷底板的卸壓程度大于通風巷和運輸巷，充分采動后，通防巷底板卸壓深度約為20 m，通風巷和運輸巷底板卸壓深度約為10 m。

（3）工作面底板的最大卸壓深度為20 m，位于通防巷底板附近；在采空區中部沿巖層傾向方向上，底板最大卸壓深度為29 m，卸壓范圍為34 m，分布于采空區兩側；工作面后方底板最大卸壓深度為21 m，卸壓范圍為21 m。

（4）通防巷兩側巷幫的位移量相差不大，并且關于巷道中心近似呈對稱分布特征，而底臌量則關于巷道中心呈非對稱分布，其中靠近回風巷一側的底臌量大于另一側，兩側相差約5 mm。