近距离采空区下巷道循环掘进的应力扰动特征

邓日键，韩昌良，杨厚强，张有志，刘永强，宋 凯，魏 民

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中天合创能源有限责任公司 葫芦素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.山东兖煤黑豹矿业装备有限公司，山东 济宁 273599)

深井巷道围岩裂隙发育，承载能力下降，变形敏感度显著提高，巷道支护困难，常发生大变形失稳乃至冒顶溃帮事故，极大地制约了矿井的安全高效生产[1]。各种应力扰动是造成这种变形破坏的根源问题[2，3]。当前，有诸多学者针对巷道掘进扰动等进行了一系列的研究，取得了较多的成果。

研究表明，许多学者在深部巷道扰动变形[4-7]、掘进应力分布规律[8-10]等方面开展了大量的研究并取得了新的突破，已经认识到了应力扰动对巷道变形破坏的主控作用[11，12]。然而，现有的研究对于近距离采空区卸压作用下的巷道循环掘进扰动机理研究尚存在欠缺，相应的控制对策未能充分考虑重复性扰动影响，尤其是巷道掘进面邻近顶板在循环掘进扰动下的控制问题还没有得到很好的解决[13，14]。本文结合典型工程案例进行模拟分析，探究在上覆工作面采空的环境下巷道掘进工作面重复性推进对邻近顶板的扰动影响，得出开挖卸载与扰动应力之间的关系以及应力的传递规律，基于扰动应力波传播特征进行区域划分。

1 工程概况

内蒙古自治区鄂尔多斯市葫芦素煤矿首采2-1煤层基本开采完毕，相邻工作面间遗留宽为30m的煤柱。2-1煤层下方是2-2煤层，平均层间距为21.74m，属于近距离煤层。在21102、21103工作面回采结束的情况下，于2-2煤层中布置接续22103工作面。拟研究的巷道为2-2煤层中的22103工作面运输巷，埋深670m。运输巷位于上覆煤层21103采空区下，即处于卸压区范围内，下行开采巷道受到上煤层开采卸压与残余应力场的耦合影响与制约[15]。巷道与遗留煤柱之间的水平距离为40m。运输巷空间位置如图1所示。

图1 巷道空间位置

2-2煤层层位稳定，结构简单，厚度变化较大，平均厚度3.2m。煤层一般不含夹矸或局部含有2层夹矸，夹矸岩性以泥岩、砂质泥岩为主。直接顶岩性主要为粉砂岩，局部夹砂质泥岩、细粒砂岩和中粒砂岩。而底板岩性以中粒砂岩为主，其余为粉砂岩、细粒砂岩和砂质泥岩。顶底板强度较低，以软弱-半坚硬岩石为主。

运输巷采用综掘机掘进，每天共推进8m。运输巷断面为矩形，净高3.2m，净宽5.4m，净断面17.3m2。全巷采用锚杆、锚索及锚网联合支护。顶板柔性锚杆直径21.8mm，长度4300mm，间距1400mm，排距由原来的1100mm调整为1400mm，每排4根布置，预紧力不小于200kN。柔性锚杆压编织钢筋网支护，规格为∅6.5mm×5400mm×1400mm，网孔100mm×100mm。煤帮采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆与菱形金属网支护，其中锚杆直径22mm，长度2500mm，间距850mm，排距调整方案与柔性锚杆一样，每排各帮4根布置，预紧力矩不小于300N·m。两帮帮肩与帮脚位置的锚杆与水平呈15°进行安装，其他位置锚杆和锚索均垂直于岩面布置。菱形金属网规格为3200×1500mm。巷道支护布置如图2所示。

图2 运输巷支护布置(mm)

2 数值计算模型

2.1 数值模拟方案

本模型采用FLAC3D软件建立，模型尺寸为180m(长)×150m(高)×120m(宽)，各个岩层相关参数见表1。巷道为宽5.4m、高3.2m的矩形巷道。模型采用位移固定边界，顶部为应力边界。模型上部边界埋深563.3m，下部边界埋深713.3m。巷道上覆岩体平均密度若按照2500kg/m3计算，模型顶部边界所需施加的垂直应力为14.08MPa，侧压系数λ平均值为1.5。模型如图3所示。

图3 三维数值模型

表1 模型各层的岩石物理力学参数

为了符合实际情况，对21102、21103工作面先后进行开挖，设置计算步数不运算平衡，即采空区垮落但并未压实。22103运输巷推进一定的距离，选取70m，按设计方案支护，运算平衡。随着上部采空区逐渐压实，卸压作用慢慢消失。掘进面与邻近柔性锚杆之间最小水平距离为0.6m。扰动应力监测点布置于顶板同排柔性锚杆中间，即顶板正中央。在距离巷道掘进面51m范围内的同一位置均布点监测，测点共计37处。每次循环开挖步距为200步，通过10次的重复性开挖得到顶板监测点的卸载扰动应力数据，分析得出应力传播特征及规律[16，17]。

2.2 应力环境分析

上覆煤层21102、21103工作面开采引起采场周围应力重新分布，遗留区段煤柱上的支承压力和采空区垮落的顶板对底板岩层产生开采损伤。底板原岩应力与采动应力经过集中、传递、变化等演化过程，最终形成一定的底板岩层应力分布形式。工作面开采之后的残留采动应力对下行开采的运输巷有着不可忽视的影响，这种应力存在一定的不均衡性[18-20]。下位煤层顶板受上层采动影响，覆岩裂隙较为发育。上位煤层区段煤柱附近高应力集中，而运输巷处于遗留煤柱侧下方、21103采空区正下方，回避了高应力的扰动，这对于运输巷具有一定的卸压作用，变形破坏力源趋减。随着上覆采空区顶板下沉、压实，压力又逐渐恢复，卸压效应慢慢消退[21-23]。采掘环境应力分布如图4所示。

图4 采掘环境应力分布

3 巷道开挖卸载扰动应力的传播规律

3.1 不同扰动区的应力传播规律

根据顶板所受扰动应力的曲线变化趋势将顶板支护区分为三个区域：近场扰动区、中场扰动区和远场扰动区。扰动应力与顶板某一点距巷道掘进面之间的初始距离的关系如图5所示。

图5 扰动应力与巷道掘进面之间的最初距离的关系

近场扰动区即最初距掘进面0～7.6m的范围内，曲线呈现急剧下降的形态(图5a)。在距掘进面0～2m内，曲线为平均斜率-1.785的直线，扰动应力随距离的增加而急剧减小。而2～7.6m范围内的曲线为弧形线，扰动应力降低的变化量较0～2m范围内的扰动应力远小得多。在近场扰动区内，掘进面在推进中扰动应力变化量为2.84MPa。相较其他两个扰动区，顶板扰动应力递减变化幅度最大、区域范围最小，且破坏影响能力最大。该区域是扰动应力传播的第一时区。

中场扰动区即最初距巷道掘进面7.6～42.6m的范围内，扰动应力以一种振幅越来越小的波形线递减(图5b)。扰动应力进一步被削弱，其平均变化量为0.025MPa，远远小于近场扰动区的应力变化量。中场扰动区是扰动应力传播的第二区，从近场扰动区传播过来的扰动应力被削弱成相对稳定、破坏较小的应力，随后传递至远场扰动区。

远场扰动区即离巷道掘进面初始距离42.6m之外的区域，曲线以波形线的形式缓缓降低(图5c)。根据曲线趋势走向可判断，曲线最终会相交于横轴，即扰动应力消损为0。应力波的传播趋势仍具有中场扰动区应力波的形态特征，但其振幅小，可视为线性传播，直至损耗消失。故远场扰动应力场范围最广、破坏能力最小，但该区域积累的破坏最多。

3.2 应力波的传播规律

距离巷道掘进面最初2m范围之外的卸载扰动应力，在消失前其扰动应力波拟合曲线可被当作是“指数函数”。10次开挖卸载对巷道顶板产生了循环扰动作用，每次的卸载应力与距掘进面初始距离之间存在一定的函数关系，即第一至第十次开挖的函数表达式分别为：σ1=0.9718L1；σ2=0.9717L2；σ3=0.9716L3；σ4=0.9715L4；σ5=0.9714L5；σ6=0.9713L6；σ7=0.9712L7；σ8=0.9711L8；σ9=0.9710L9；σ10=0.9709L10。

由上述10组函数表达式拟合出顶板扰动应力与距掘进面初始距离之间的关系，即指数函数为：

σ=aL

(1)

式中，σ为当次开挖掘进工作面产生的扰动应力，MPa；L为与巷道掘进面的初始距离，m；a为指数常数，0

当次开挖卸载的曲线指数常数比后一次开挖卸载的曲线指数常数略大。随着掘进面的推进，对于同一监测点而言，曲线的a值越来越小，但不为0。

3.3 同一点扰动应力的变化规律

巷道掘进工作面的邻近顶板，在每次开挖卸载得到的扰动应力曲线特征一致。越靠近掘进面，卸载扰动应力值越大，在图5中则表现为曲线更靠上。巷道在开挖卸载过程中，同一位置顶板所受到的扰动应力比前一次开挖受到的扰动应力低，且卸载应力越来越小，直至为0。

岩体的开挖卸载对邻近支护体的扰动影响较大，同样地，在支护下的邻近顶板受卸载影响也较为敏感。每次开挖卸载过程中，每一监测点应力变化量微乎其微，基本一致。距离巷道掘进面最近的顶板监测点在开挖卸载中得到的应力变化关系见表2。

表2 邻近顶板的扰动应力变化

空顶距2.6m的位置是近场扰动区内的拐点，也是卸载扰动应力降低率由急剧趋缓和的分界点。区内该处应力的变化量和下降百分比最大，分别为0.07MPa和1.91%。此时应力变化量有0.01MPa的波动，先增后减、再恢复为原值，且应力下降的百分比波动值达到了最大，为0.3%。而柔性锚杆距离掘进面7.6m处是近场扰动区与中场扰动区的分界点，卸载扰动应力递减形态在该处由直线转变为较缓的波形线。过分界点后应力变化量降低0.01MPa后不变，其应力下降百分比波动值仅次于近场扰动区内拐点值，为0.24%。应力下降百分比也呈现为波形递减的趋势。

4 工程现场效果分析

4.1 厚层锚固与速度效应

巷道锚固系统贯穿了围岩浅部破碎区域，构建了厚层锚固圈[24]。在柔性锚杆中间“五花眼”位置布置一根加强锚索，规格为∅21.8mm×7300mm，排距5600mm，预紧力不小于250kN。矿方将排距由1.1m加长至1.4m，在应力调整初期及时支护以充分利用速度效应，大大提高了掘进速率。

4.2 钻孔窥视效果分析

距离巷道掘进面18.4m处顶板中部施工钻孔Z1，200m处顶板中部施工钻孔Z2，每个钻孔孔壁特征如图6所示。

图6 顶板钻孔孔壁特征

由图6(a)可得，裂隙与破坏主要集中在顶板1.3m以内，煤岩交界面在顶板3.81m。在顶板0.05、0.44、0.51、1.27m发现4处裂隙或破碎，破坏范围小，基本是在掘进初期造成的；在顶板0.58、3.78、3.88、4.63、5.88、7.12m共6处存在不同厚度的煤线夹层，直接顶岩层相对复杂。

由图6(b)可得，裂隙分布在顶板2.5m以内，在4.02m存在出现煤岩互存现象，岩性较差，强度较低。在顶板0.07、2.47m处发现2处破碎裂隙，而0.26m处发现1处离层破碎，顶板浅部岩性强度较低。在顶板0.82、0.86、4.02m共3处分布有厚度较薄的煤线。

根据上述钻孔孔壁图像分析，裂隙集中分布于顶板岩层浅部范围内，并发现有多条煤线存在于直接顶，降低了岩层的整体性。裂隙均发生在锚固系统有效锚固范围内，仅存在于顶板浅部，完整性提高，实现了巷道掘进至稳定期间顶板的安全。

4.3 巷道循环掘进效应

开挖期间巷道掘进面邻近扰动区是巷道围岩损伤演变的第一时区，该区域内锚固系统的力学性能是后期巷道的承载基础，决定了巷道的支护效率和长期稳定性。巷道掘进面卸载的重复性扰动如图7所示，掘进面邻近锚固系统经受重复性开挖卸载的扰动，极易发生微破裂损伤。若循环卸载扰动期间出现锚固杆体脱粘或锚固岩体离层破裂，则其长期承载性能必然受损并逐渐弱化，后期再受到构造应力或二次扰动等因素影响则可能造成锚固失效，甚至诱发冒顶事故[25-27]。因此，厚层锚固圈层的建立将大大提高顶板和围岩的稳定性。

图7 巷道掘进面卸载的重复性扰动

大断面巷道开挖卸载对后方锚固系统的扰动影响不能忽视，尤其是循环性开挖岩体造成的多次叠加扰动，是诱发锚固初期损伤的根源，而这正是现场工作中容易疏忽的客观事实。巷道掘进面邻近顶板及时锚固，充分利用速度效应降低岩体损伤，以确保锚固系统的安全，这对于维护巷道稳定、矿井安全生产意义重大。

5 结 论

1)上覆采空区对近距离下煤层巷道掘进具有卸压作用，残余采动应力传递至巷道顶板，会产生裂隙损伤。随着采空区的压实，卸压效应消退。

2)在巷道掘进工作面开挖卸载期间，根据邻近支护区内扰动应力变化形态可划为三个区域：近场扰动区、中场扰动区和远场扰动区。扰动应力波在每个区域的传播特点各不相同：近场扰动区距离短、应力变化幅度大；中场扰动区内扰动应力波振幅越来越小，距离稍长、变化幅度较小；扰动应力波最终消失损耗于远场扰动区，该区域范围最广，扰动破坏最小，累计破坏最多。

3)距离巷道掘进工作面初始2m范围之外的卸载扰动应力，在消失前其应力波拟合曲线可视为“指数函数”。

4)掘进工作面邻近顶板同一位置，卸载扰动应力变化量几乎一致。随着空顶距的增加，应力下降百分比的数值为波形线递减。距离掘进工作面2.6m处为近场扰动区内的拐点，应力的变化量有波动。而在近、中场扰动应力区的分界点处，应力递减的形态发生变化，由陡趋缓。

5)对顶板进行钻孔窥视结果来看，裂隙主要集中于岩层浅部范围。从岩层整体性来看情况较好，未发生离层现象，巷道顶板稳固安全。