深埋回采巷道圍巖塑性區演化規律研究

師萌強

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限公司，山西 運城 044000）

0 引言

隨著礦井采掘深度和開采強度的不斷增加，由復雜應力造成的巷道圍巖破壞愈加嚴重，由此造成的巷道大變形、冒頂、沖擊破壞等災害事故頻發，嚴重威脅著礦井的安全高效生產。大量現場實踐和理論研究均表明，巷道圍巖變形破壞的實質是巷道圍巖塑性區的形成和擴展，巷道圍巖的破壞模式和程度取決于塑性區的形態特征和尺寸大小[1]。掌握厚煤層回采巷道塑性區形態特征及演化規律，可以為煤巖動力災害預防和巷道支護提供支持。本文以薛虎溝礦2-111 工作面運輸巷為工程背景，研究厚煤層回采巷道塑性區的形態特征及演化規律，從而為巷道圍巖的控制提供一定的參考。

1 礦井概況

薛虎溝礦位于山西省河津市下化鄉陳家嶺村北，年產煤量90 萬t，主要開采煤層為2 號煤層和10 號煤層。2-111 工作面主要開采2 號煤層，煤層平均厚度為3.9 m，平均傾角為7.5°。煤層上覆巖層為厚度幾十米至數百米的礫巖，成分以石英巖、石英砂巖為主。煤層上方巖層依次為泥巖、礫巖、粉砂巖、細砂巖互層以及礫巖。薛虎溝礦2-111 工作面運輸巷發生沖擊破壞事故的次數最多。該工作面平均埋深為586 m，傾向長度和走向長度分別為120 m 和1 500 m，直接底為泥巖，厚度為6.2 m，基本底為細砂巖。2-111 工作面運輸巷在實際掘進時留有厚度約為2 m 的底煤，該運輸巷為半圓拱形巷道，斷面尺寸寬×高為6 317 mm×3 800 mm，采用錨網索噴+36U 型鋼馬蹄形全封閉可縮性支架支護，采用放頂煤采煤法、自然垮落法管理頂板。

2 巷道圍巖塑性區形成力學機制

煤層開采會引起頂板垮落并造成圍巖應力的重新分布，從而導致回采巷道圍巖區域應力環境產生變化，使得巷道圍巖最大主應力方向發生偏轉，有時最大主應力方向與豎直方向會產生夾角，而位于采空區周邊的回采巷道在上覆巖層傳遞的傾斜方向作用力影響下，回采巷道圍巖出現非均勻破壞，受采掘擾動影響，會形成新的應力疊加[2]。

3 回采巷道塑性區演化規律

3.1 模型的建立

結合薛虎溝礦2-111 工作面煤層頂底板條件，建立大尺寸數值計算模型（見圖1），長×寬×高為1 000 m×1 550 m×950 m。模型中煤層傾角為12°，沿X 軸和Y 軸正方向分別為工作面的傾向和推進方向，Z 軸正方向為工作面豎直方向。根據地應力測量結果，薛虎溝礦最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力分別為19.5 MPa、10.0 MPa、17.9 MPa。模型邊界條件為：四周均固定水平方向位移，底面固定垂直和水平方向位移，上部為自由面，模型僅受重力作用。數值計算基于mohr-Coulomb 破壞準則。現場調研發現，在工作面推進至400 m 時，巷道沖擊破壞事故較為嚴重，因此，在進行數值計算時，設定2-111 工作面開挖長度為400 m。

圖1 數值計算模型

由于煤層頂板廣泛分布著礫巖，該巖層厚度大、完整性好且抗變形能力強，煤層開采后頂板不易垮落，造成大面積懸頂。這不僅造成采空區周邊煤體出現應力集中，而且還使得采空區頂板容易積聚彈性能。

3.2 厚煤層采動應力場特征

隨著煤層的采出，煤壁出現應力集中現象。相較于分層開采，厚煤層采用放頂煤開采的方式，對采場圍巖的擾動影響范圍更大，超前支承壓力峰值位置前移，且應力集中系數達2.5。

實踐表明，采動應力集中是巷道大變形、沖擊破壞、煤與瓦斯突出等災害的主要誘發因素之一，并且塑性區形態與巷道所處的應力環境密切相關，因此為獲得厚煤層回采巷道塑性區演化規律，有必要掌握厚煤層開采引起的采動應力場特征。2-111 工作面經開挖后，沿運輸巷軸向提取工作面前方100 m 范圍內的最大主應力、最小主應力以及最大主應力與X 軸的夾角，如圖2 所示。

圖2 工作面前方主應力、最大主應力與X 軸夾角

由圖2 可知，工作面前方最大主應力和最小主應力的變化趨勢差異較大。隨著距工作面距離的增加，最大主應力呈現先急劇增大后逐漸減小的趨勢，并且最大主應力曲線斜率越來越小，最大主應力在距離工作面15 m 處達到峰值，為38.03 MPa，而該位置的最小主應力為14.87 MPa，最大主應力是其2.56 倍。由于煤層頂板厚度大且抗變形能力強，采空區頂板懸而不沉，造成工作面前方最大主應力明顯大于原巖應力。同時，隨著到工作面距離的增大，最大主應力增速也逐漸放緩。

3.3 厚煤層回采巷道塑性區演化規律

根據薛虎溝礦2-111 工作面運輸巷工程地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件建立拱形巷道塑性區數值計算模型，尺寸為80 m×80 m×1 m，拱形巷道數值計算模型如圖3 所示。模型四周均為固定邊界，豎直方向和水平方向分別施加邊界載荷P1、P3，P1和P3可根據圖2 確定，模型中煤層傾角為12°。

圖3 拱形巷道數值計算模型

根據工作面前方主應力場分布規律，當2-111 工作面推進距離分別為400 m、425 m、450 m 時，分別計算同一位置的塑性區特征，據此可以得出回采巷道圍巖塑性區的演化規律。隨著工作面的推進，處于同一位置的巷道圍巖塑性區形態特征不斷發生變化，其兩肩角持續向深部擴展，塑性區由不規則形態逐漸演化為蝶形。

當工作面推進至400 m 時，距離工作面100 m 處的巷道塑性區呈對稱分布且形態不規則。隨著工作面的繼續推進，即與工作面的距離不斷減小，巷道兩肩角的塑性區開始向圍巖深部擴展，而頂板和底板塑性區深度變化卻不明顯，該位置的塑性區形態逐步演化為蝶形。

當工作面推進至400 m 時，距離工作面80 m 處的巷道塑性區的形態和距離工作面100 m 處一樣，也呈對稱分布且不規則。當工作面推進至425 m，即該位置到工作面的距離為30 m 時，巷道兩肩角處的塑性區深度明顯增大，而頂底板塑性區范圍變化較小，塑性區形態呈蝶形。

當工作面推進至450 m，即該位置距離工作面15 m時，塑性區蝶葉尺寸進一步增大，并且發生了偏轉。

4 結論

1）塑性區形態特征與雙向載荷比值有關。當圍巖的力學性質相同時，巷道圍巖塑性區的形態特征與應力條件密切相關。當雙向載荷比值不大時，塑性區形態呈圓形或橢圓形，雙向載荷比值達到某一值時，塑性區形態呈蝶形。

2）在采動應力的影響下，回采巷道區域主應力場的大小和方向將發生改變。最大主應力沿回采巷道軸向呈先急劇增大后逐漸減小的趨勢，并且在距離工作面15 m 處達到峰值。隨著距工作面距離的增大，最小主應力在距離工作面約25 m 處時達到最大后緩慢減小。

3）工作面前方回采巷道塑性區的形態特征與區域主應力場的大小和方向密切相關。隨著工作面的不斷推進，距工作面距離的逐步縮小，厚煤層回采巷道塑性區形態由不規則逐漸演化成蝶形，并且塑性區蝶葉位置會隨著最大主應力方向的變化而發生偏轉。