综放采动影响下煤巷围岩变形破坏规律研究

樊晓飞

(山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司， 山西 晋城 048006)

在我国煤矿开采中，近距离煤层赋存和开采所占比重很大，大多矿区都存在近距离煤层群开采的问题，如大同矿区、平顶山矿区及淮南矿区等，这些矿区开采规模相对较大，多数还具有厚煤层. 厚直接顶等复杂地质条件，综放工作面在采动应力影响下沿煤层底板传递更大的应力，进而产生更大范围的破碎区，对下煤层巷道的围岩破坏相对严重并造成巷道维护困难等问题[1-2]. 因此，对综放工作面下方回采巷道受多重叠加应力影响下围岩的变形规律的研究，对后期巷道掘进时间及支护方式的选定很重要。

1 工程概况

某矿现阶段主采煤层为4#煤与9#煤，其中4#煤为石炭系上统太原组顶部煤层，平均厚度为8.72 m，其直接顶平均厚15.0 m，岩性为中-粗粒砂岩，节理裂隙较发育，成分以石英为主；直接底厚1.98～6.80 m，平均厚4.11 m，岩性为砂质泥岩。9#煤直接顶平均厚度为1.12 m，主要成分为泥岩和炭质泥岩，基本顶厚度4.0～10.8 m，平均7.39 m，主要成分为中粗砂岩。

14106综放工作面为该矿太西采区4#煤首采工作面，工作面埋深204～244 m，平均埋深224 m. 19106工作面为太西区9#煤首采工作面，上部为4#煤14106工作面，平均倾角较小为5°，与4#煤相距约38 m. 19106辅运巷采用内错式布置，与上层煤辅运巷相距25 m，工作面布置见图1. 为满足矿井安全高产高效的实际需求，在14106工作面回采过程中，19106辅运巷受上方采动应力影响及自身掘进叠加效应，顶底板围岩破坏变形严重，不得不停止掘进，且随着后续4#煤工作面的推进，下方已掘的辅运巷所受影响依然强烈，据现场估测，底鼓量达20 cm，底板裂缝约5 cm.

图1 19106辅运巷与14106工作面的位置关系图

2 应力传递力学模型

工作面切眼贯通后开始煤体的回采工作，综放工作面在上方煤体不断垮落过程中，基本顶作为承载上方岩层直接载体，承受压力较大，而后随着工作面的继续推进，基本顶断裂形成断裂拱将岩体载荷传递至拱脚两端，切眼侧实体煤相对破碎，形成了先增高至最大应力值后逐渐降低至原岩应力值，采空区在工作面推进过后一段时间趋于稳定，沿推进方向应力呈线性增大至原岩应力，其支承压力分布见图2.

P—垂直原岩应力，其值为γH L1—采空区内残余支承压力直至恢复至原岩应力的长度 L2—原岩应力为零的采空区长度 S1—工作面煤壁至支承压力峰值之间的长度 S1—超前支承压力峰值与回落至原岩应力区之间的长度图2 工作面前后支承压力分布图

将图2中所示应力减去原岩应力，得出工作面前后的应力增量分布规律，为简化计算过程，将不易求解的煤体侧的应力增量设定为三角形，其中x负方向高度为(k-1)p，简化后的应力增量分布图见图3.

图3 简化后的工作面附加应力分布图

假定上部煤层开挖后将底板煤岩层看做半平面体，为得到下方煤岩体内一点N所受上方煤层应力叠加效应，根据弹性力学中半平面体理论可建立坐标系，见图3，x轴垂直向下，y轴水平向右，坐标原点为0点，取微小长度ζ，建立几何关系后应用到半平面体公式中得出水平应力、垂直应力及剪切应力的微分方程(1)：

(1)

可以算出3个式子的积分：

(2)

式中：

δx—水平应力大小，MPa；

δy—垂直应力大小，MPa；

δz—剪切应力大小，MPa.

分别对L1、L2、S1和S2四个区域进行应力叠加，即可得出底板岩层不同位置的垂直应力、水平应力和剪切应力的分布状态，见图4.

图4 煤层底板岩层应力分布特征图

经matlab计算处理后得出：沿工作面推进方向工作面后方采空区浅部底板垂直应力和水平应力主要呈卸压状态，工作面煤壁前方实体煤底板应力相对集中，就集中程度而言，水平应力要明显小于垂直应力。沿工作面推进方向来看，出现应力的采空区下方底板内出现剪应力，且剪应力最大值相比垂直应力更大，剪切力主要偏向采空区侧底板，会严重影响底板采空区下方的煤岩层的强度，严重时会直接引起底板岩层的破坏。

3 数值模拟分析

根据实际矿井煤岩层分布状态建立三维数值模拟模型，所建立的三维模型采用Mohr-Coulomb强度准则作为煤岩体材料屈服判据，其煤岩物理力学参数见表1.

对所建三维模型进行开挖计算，以得出4#煤14106工作面的开采过程中，9#煤19106辅运巷在掘进应力及采动应力叠加影响下的围岩承压状态，进而运用此变形规律为后期巷道掘进时间及支护强度提供参考。煤岩层参数依据霍克布朗参数演化得到[3]，采空区在采后一段时间内围岩应力基本稳定且呈现应变硬化的物理特性，与double-yield本构模型体现的性质基本类似[4]. 因此，将采空区运用此模型填充，仅留下工作面煤壁前方作为支架存放位置，这种模型设立方法更为科学。分别对工作面推进80 m、120 m、160 m和200 m时巷道围岩的垂直应力进行模拟，并在工作面端头处及19106辅运巷中线做切片分析，见图5.

表1 煤岩层物理力学特性参数表

图5 不同推进程度下辅运巷围岩垂直应力分布状态图

从图5中不同回采阶段的围岩垂直应力分布特征可看出：

1) 工作面煤壁前方及巷道两侧明显呈现应力集中现象，煤壁前方在超前支撑压力并在推进过程中峰值位置缓慢向煤体传递，在推进160～200 m峰值位置与端头距离基本稳定，峰值呈现先增高后降低的整体趋势。在巷道两侧受侧向支撑压力作用，端头侧切面云图中应力峰值及所在位置基本相似。

2) 沿煤层倾向，工作面底板卸压状态明显影响下方辅运巷原有围岩应力分布状态，随推进时间的迁移，受超前支撑压力影响的巷道范围逐渐减小，且原有承压破坏段巷道趋于稳定。

3) 沿煤层走向，采空区底板卸压基本呈“倒八字”向下传递，基本与半平面体理论衍生的应力传递形式相仿，且随工作面的不断推进，底板卸压范围有明显的缩减。下方19106辅运巷顶底板卸压明显，帮部相对较弱，如在不合理的支护形式下极有可能引起围岩内“大小结构”的失稳，严重影响巷道稳定性。

4 结 论

1) 依据煤层走向的煤岩层分布状态，建立简化力学模型并得出沿工作面推进方向工作面后方采空区浅部底板垂直应力和水平应力主要呈卸压状态，水平应力相比垂直应力要小，沿工作面推进方向，采空区下方底板剪应力最大值相比垂直应力更大。

2) 建立数值模型并运用双曲服模型对采空区填充，对煤层进行分布开挖，模拟综放工作面在不同推进程度下辅运巷的围岩应力演化过程，与传统的直接将采区设置为空模型相比，呈现出动态的应力转变过程。

3) 得出在工作面不断推进情况下，19106高应力巷道顶底板相比帮部围岩完整性更差，承载的应力明显较低，为后期支护提供了理论基础；沿煤层走向，采空区底板卸压基本呈“倒八字”向下传递；沿煤层倾向，工作面底板卸压状态明显影响到下方辅运巷原有围岩应力分布状态，且随工作面的不断推进，巷道受上方传递的超前支撑应力影响范围有所减弱。