浅析采动影响下巷道群围岩应力分布特征

李啸林,郝长胜

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院,内蒙古 包头 014000;2.神华集团 包头矿业公司,内蒙古 包头 014000)

采动影响下,巷道周围岩体内的应力状态发生明显变化,并呈现出显著的不均匀应力分布状态,这就造成巷道发生局部破坏严重和不均匀巷道围岩变形,巷道断面变形严重且有发生顶板冒落和片帮的严重安全隐患[1-2]。为维护采动影响下回采巷道的围岩稳定,就有必要分析采动影响下围岩应力分布规律,结合实际工程特征来估算采动影响条件下的围岩应力不均匀分布力学模型,进而计算支护阻力,为后续的巷道群围岩控制和支护设计提供理论参考依据。

1 采动影响条件下的围岩应力重分布规律

随着工作面的回采,在工作面的后方将形成采空区,此时其上覆岩层的应力载荷逐渐转移至工作面周围煤岩体,在采场围岩体中形成采场应力支撑压力区,按位置可分为工作面超前支承压力、侧向煤岩体支承压力和采空区支承压力,如图1所示。

图1 沿工作面推进方向的采场应力分布示意图Fig.1 Stress distribution in the advancing direction of the working face

采动影响导致工作面应力重分布,采场上覆岩层应力载荷基本上作用于工作面前方煤岩体、侧向煤岩体以及采空区位置,而回采巷道多数都布置于工作面前方煤岩体和侧向煤岩体中,在这些区域都形成有较大范围的应力集中[3-4]。本文设应力集中系数用K来表示,一般情况下,应力集中系数为K=2～3。为了研究工作面回采至停采线附近时车场巷道群的围岩应力分析,从沿工作面推进方向对煤岩体超前支承压力分布规律展开分析研究,为后续的复杂围岩应力环境分析和巷道支护提供指导。

沿回采工作面推进方向,工作面煤岩体的超前支承压力分布状态可分为工作面围岩应力降低区、工作面围岩应力增高区及采场围岩应力不变区三个区域[5-6],如图2所示。

在图2中:d1为采空区围岩残余应力恢复至原岩应力状态的距离;d2为工作面纵向长度;d3为工作面至前方围岩应力峰值的距离;d4为工作面前方围岩应力峰值至采场原岩应力状态的距离。

为便于计算分析,降低理论推导的繁琐,将工作面支承压力分布简化为线性载荷分布形式,并暂时减去原岩应力σ0,以将工作面支承压力σy对工作面前方煤岩体及其采场底板的应力分布影响以增量的形式Δσy表示:

Δσy=σy-σ0.

(1)

将工作面前方煤岩体视为一个半无限均质弹性介质,建立应力增量计算模型,以工作面推进方向为X轴正方向,原点O位于工作面前方煤壁,根据式(1),通过对工作面前方煤岩体及其采场底板的应力分布规律简化,得工作面前方煤岩体及其采场底板的应力增量的分布规律,此时工作面前方围岩应力增高峰值的集中系数为(K-1),具体见图3。

图2 工作面推进方向支承压力分布图Fig.2 Abutment pressure distribution in the advancing direction of the working face

图3 工作面推进方向应力增量分布Fig.3 Stress increment distribution in the advancing direction of the working face

根据图3中的坐标系,建立工作面前方围岩垂直应力的表达式:

(2)

根据力的平衡原理,若要平衡,应力增量必须满足下式:

(3)

根据弹性力学理论[7],半平面体在受有铅锤分布力时,为了求出半平面体内任意一点处的应力,可以在距离坐标原点O处取微小长度dε,将其受力进行微分计算,即为dF走向(ε)=P走向(ε)dε，进而得到在沿工作面回采的走向方向上:

(4)

(5)

式中:m,n为对应d1,d2,d3,d4各个阶段的P走向(ε)的应力系数。

将工作面推进方向底板应力分布划分为AB、BC、CD、DE四个应力分区,分别对式(4)、式(5)进行积分求解,即可得到完整的应力分布方程,同时运用Excel或者Matlab软件成图分析应力分布规律。

2 采场围岩应力环境力学估算

2.1 现场应用条件概况

以晶鑫煤矿二采区车场作为研究对象,井田面积5.132 5 km2,开采深度+670 m～470 m标高,主采3#煤层,工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法,全部垮落法管理顶板,采区内对应工作面开采强度较大。

二采区3#煤层厚度5.55 m～6.55 m,平均厚6.02 m,煤层倾角1°～3°。该煤层常有薄层炭质泥岩伪顶,伪顶平均厚0.59 m;直接顶板多为灰黑色粉砂岩或细砂岩,平均厚度8.02 m;基本顶为(粗)砂岩,平均厚27.81 m;直接底为泥岩,平均厚2.36 m。二采区车场布置如图4所示。

图4 二采区车场平面布置图Fig.4 Layout of the pit bottom in No.2 mining area

2.2 围岩应力环境力学估算

根据上述理论分析和有关监测可知,当晶鑫煤矿二工作面回采至停采线位置,由采动影响引起的围岩应力重分布影响范围波及到二采区车场,停采线附近围岩应力集中峰值29 MPa,且原岩应力为7 MPa。因此,设原岩应力系数为1,工作面回采周围形成的应力集中系数4,工作面回采前方煤壁距应力集中峰值位置的距离d3=18 m,应力集中峰值距侧向煤岩体深部原岩应力区的距离d4=100 m;同时,已知工作面的宽度d2=8 m,后方采空区d1=100 m,利用分析软件代入式(5)进行计算,结果如图5,图6所示。

图5 工作面回采形成的围岩应力分布Fig.5 Surrounding rock stress distribution of the working face

图6 二采区车场各巷道所处的围岩应力环境Fig.6 Surrounding rock stress environment of the pit bottom in No.2 mining area

根据图5可知,采区车场的上山巷道距离工作面回采至停采线位置最远,在80 m～130 m范围,基本处在1～1.7倍的原岩应力状态,即7 MPa ～12 MPa,且围岩水平应力大小基本等于垂直应力。由图6可知,在采区车场侧,各绕道、回采巷道及其相应联络巷距离工作面停采线较近,其中“三角形”交岔联络巷在距离停采线30m～80m的范围内,基本处在1.7～3.6倍的原岩应力状态,即12 MPa ～25.2 MPa,且围岩垂直应力较高于围岩水平应力。

由理论计算分析可推得,工作面停采线附近上覆岩层破碎、裂隙、弯曲下沉可引起端部覆岩向内部挤压而形成较大变形,其影响范围十分广泛;二采区车场巷道群的围岩原有应力剧烈增加,而且垂直应力大于水平应力,这对于整体巷道群围岩稳定而言,无异致使围岩应力环境加剧,各巷道的帮部围岩破坏较明显,不利于巷道群各巷间的承载结构保持稳定。

3 结论

1)在采动影响条件下,从沿工作面推进方向对煤岩体超前支承压力分布规律展开研究,结合弹性力学理论分析得到了工作面煤岩体的超前支承压力分布状态并简化为线性载荷分布形式,建立了工作面前方围岩垂直应力表达式,通过积分求解得到完整的应力分布方程。

2)选取晶鑫煤矿二采区作为研究对象,根据应力分布方程,利用分析软件得到了二采区工作面采场及车场各巷道所处的围岩应力分布曲线,从而可判定采区车场的上山巷道基本处在1～1.7倍的原岩应力状态,车场各绕道、回采巷道及其相应联络巷基本处在1.7～3.6倍的原岩应力状态。

综上分析可知,在工作面回采末期,盘(采)区车场巷道群围岩承载体应力集中显著且影响范围较广,不利于各巷间的承载结构稳定,因此在回采支护设计中要加强车场巷道的稳定性,特别是承载能力较弱的交岔巷道支护,确保各巷道在服务年限内的稳定可靠。

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