深部煤巷偏应力场分布特征及围岩控制研究

史明将，弓培林，姚春波，牛奋蹄，范东旭

(太原理工大学，山西 太原 030024)

随着煤炭开采规模及强度的大幅度提高，开采深度由浅部逐渐向深部转移[1-5]。同时为满足通风、生产和工作面接续等需要，工作面巷道常采用双巷掘进的方式布置[6，7]，该方式造成了需要保留的巷道受到重复采动影响，巷道服务时间长，矿压显现严重，支护结构失效，煤壁片帮，冒顶事故频繁，严重影响了巷道的正常使用。

巷道围岩的稳定性是保证煤矿安全生产的必要条件。深部高地应力巷道开挖后应力分布状态及围岩塑性区发育范围与浅部巷道明显不同[8，9]。针对深部巷道围岩变形和控制机理，许多学者做了深入研究。康红普等[10，11]分析留巷围岩的应力分布，提出了留巷受工作面采动影响较大，在本工作面后方一定距离变形急剧增加后趋于稳定，受二次采动影响后，变形显著增加。陈梁等[12]分析不同屈服准则和条件下巷道围岩的变化，得出了中间主应力具有明显的区间效应。张明等[13]分析多煤层条件下巷道破坏的规律，提出了动压卸、静压补的巷道控制手段。潘岳等[14]推导得出围岩弹塑性区应力分布的表达式，并用重积分计算了弹性区、塑性区的偏应力应变能。吴祥业等[15]针对留巷受到采动影响破坏严重等问题，提出了动-静组合的重复采动巷道塑性区机制。赵洪宝等[16]通过分析巷道围岩偏应力场、应变能密度的分布规律，得出了不同的构造应力场中分布规律明显不同。

这些研究成果均表明深部巷道变形机理的复杂性和多样性。本文结合赵庄煤矿33092巷具体工程实况，分析巷道围岩偏应力和塑性区的分布形态，得出33092巷道围岩的破坏特征；采用FLAC3D模拟33092巷道从掘进到报废的全寿命周期，分析了受重复采动影响的巷道围岩塑性区的演化规律；并结合工程实践提出相应的控制手段。

1 工程概况

山西赵庄煤业主采3#煤层，煤层平均厚度为4.60m。研究对象为3盘区3309工作面回风巷道-33092巷。巷道位置与工作面分布如图1所示。33092巷平均埋深约为780m。33092巷在3309工作面回采期间作为回风巷使用，3309工作面回采完毕后保留下来作为3310工作面进风巷，33092巷与33091巷之间留设50m的保护煤柱。

图1 33092巷位置与工作面分布

33092巷沿煤层顶板布置，巷道断面为矩形，净断面规格为：宽5.4m×高4.4m，净断面积为23.76m2，采用锚网索对称式支护。支护方式如图2所示。现场应用结果表明该支护方式不能满足安全生产要求，锚索破断、煤壁片帮、底板底鼓等。

图2 33092巷道断面支护(mm)

2 巷道围岩偏应力和塑性区分布特征

2.1 巷道围岩偏应力分布特征

岩体单元应力可分解为球应力和偏应力，岩体单元的体积变形由球应力控制，形状变形由偏应力决定[17]。通过研究巷道周围应力状态的偏应力分布规律，从而获得巷道围岩的破坏形态。以圆形巷道为例，巷道周围应力分布如图3所示。

σx—水平主应力；σz—垂直应力；σy—平行轴向的应力；R—巷道半径；r—单元到巷道中心的距离；θ—单元与水平方向的夹角；v—泊松比；σr—径向应力；σθ—切向应力；σV—平行轴向的应力

巷道平面应变由弹性力学得式(1)：

(1)

式中，τrθ为巷道围岩单元的剪应力，MPa。

根据平面主应力关系和式(1)可得r、θ平面内的三个主应力为：

σ2=σV

(2)

由岩土塑性力学知应力偏张量的三个主向与应力一致，三个主值为：

S1=σ1-p

S2=σ2-p

S3=σ3-p

(3)

联列式(1)、式(2)、式(3)，得巷道主偏应力值为：

(4)

当考虑应力洛德角变化时，巷道所处应力环境σx、σy、σz与球应力p、偏应力q、应力洛德角θσ之间的关系可用式(5)表示：

(5)

通过理论分析和赵庄煤矿提供地应力测试报告得出巷道所处应力为：σ1=25.45MPa，σ2=20.58MPa，σ3=13.02MPa。将数据带入式(4)，计算可得33092巷最大偏应力分布特征，如图4所示。

图4 33092巷道围岩偏应力S1分布规律

从图4分析可知：①33092巷在掘进期间围岩偏应力呈对称的“8”字型分布，随着3309工作面的开采，33092巷受到3309工作面采动影响，巷道应力状态发生偏转，巷道围岩偏应力整体呈倾斜的“8”字型分布；3309工作面回采完毕后，由于受到3310工作面的二次采动影响，应力洛德角进一步增大，巷道围岩偏应力呈更倾斜的“8”字型分布；②巷道围岩偏应力在巷道表面时达到最大，约为20MPa，距离巷道越远，围岩偏应力也越小；③巷道顶板左侧偏应力明显大于巷道顶板右侧，巷道底板右侧偏应力明显大于巷道底板左侧，而对于巷帮来说，左侧巷帮下部偏应力较大，而右帮则正好与之相反，该巷道属于明显的非对称性破坏方式。

2.2 巷道围岩塑性区分布特征

由文献[18]可得关于圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程，即：

(6)

式中，k为侧压系数；c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)。

将现场数据带入式(6)，当f(r，θ)=0时可求得巷道围岩塑性区分布方程。33092巷道围岩塑性区分布规律如图5所示。由图5分析可知，33092巷围岩塑性区分布规律与围岩偏应力S1分布规律基本一致，进一步验证了巷道破坏特征分布规律。

图5 33092巷道围岩塑性区分布规律

3 巷道围岩塑性区演化规律

3.1 数值模型

为了获得33092巷道全寿命周期的塑性区演化规律，分析33092巷掘进期间、3309工作面回采过程和3310工作面回采对33092巷道的破坏影响，采用FLAC3D数值模拟软件，以赵庄煤矿工程地质条件为基础，建立数值模型如图6所示，尺寸为600m×1000m×60m。模型上部施加垂直荷载18.35MPa，模型四周和底部为固定约束，水平初始应力值为25.45MPa。模型中各岩层采用Mohr-Coulomb本构模型。数值模型中的各岩层岩石力学参数见表1。

图6 33092巷道数值模型(m)

3.2 巷道围岩塑性区演化规律分析

巷道监测面设置在33092巷距离工作面开切眼500m 的位置，通过进行33092巷掘进过程、3309工作面回采(0～1000m)、3310工作面回采(0～500m)的数值模拟，来获得33092巷道围岩塑性区演化规律。工作面推进100m记录一次塑性区分布特征。监测面的塑性区分布特征如图7所示。

由图7分析：随着3309工作面及3310工作面回采过程的采动影响，33092巷道围岩塑性区大致分为：①掘进影响稳定阶段：33092巷道掘进期间和3309工作面回采0～300m过程中，塑性区呈现顶底板破坏程度明显大于两帮的对称破坏形态，塑性区破坏程度未发生明显变化。②一次采动影响阶段：3309工作面开采300～700m过程中，塑性区出现明显的非对称破坏，塑性区破坏向深部扩展，巷道顶板左侧、底板右侧塑性区破坏范围明显大于顶板右侧和底板左侧。③一次采动后稳定阶段：3309工作面回采700～1000m过程中，巷道塑性区形态和范围未发生较大变化，此时监测面处于3309工作面采动影响后的稳定阶段。④二次采动影响阶段：3310工作面回采过程中，33092巷受到二次采动影响，塑性区破坏深度、形态均发生较大变化，巷道顶部塑性破坏区与帮部破坏区相连，逐渐向区段煤柱扩展。

通过数值模拟结果分析可知：33092巷道由于受到3309工作面采动影响和3310工作面的二次采动影响，巷道围岩塑性区由掘进期间的对称破坏逐渐发展为倾斜的非对称破坏，并随着3310工作面的二次采动影响，非对称破坏进一步扩大；由偏应力决定单元的形状变形，因此巷道顶板左侧、底板右侧偏应力明显大于顶板右侧和底板左侧的偏应力，该结论与围岩偏应力S1的演化过程基本保持一致。

4 围岩控制技术

4.1 支护方案

针对33092巷的非对称破坏，在原有支护方案的基础上，根据现场调研、结合理论分析和数值模拟，提出了新的巷道支护改进方案，如图8所示。巷道顶板左侧距巷帮800mm处增设一根锚索，以15°的角度安设，锚索之间用W型钢带连接，形成简式桁架锚索的非对称支护，锚索间排距为1500mm×2400mm；巷道底板由原先的无支护变为在巷道底板右侧每排增设两根锚索平行布置，锚索间排距为1500mm×2400mm，用于防止巷道底板底鼓；巷道帮部则分别在左帮下侧和右帮上侧增设两根锚索，防止煤壁片帮、变形等问题。

图8 33092巷道断面改进支护方案(mm)

为更好的反映原支护方案和改进支护方案后产生的支护应力场，在不考虑原岩应力场的条件下，采用FLAC3D模拟分析不同支护方案的支护应力场的分布特征，如图9所示。

图9 巷道围岩支护应力场分布特征

由图9分析可知，原支护方案(a)中：巷道围岩锚杆锚索锚固范围内形成一定的压应力叠加区，但其对巷道顶角和巷道底板处锚固范围较小，远小于其巷道围岩塑性区的破坏范围，不利于巷道围岩控制，此时叠加区巷道围岩的最大压应力值约为4.8MPa；改进支护方案(b)中通过对巷道顶板左侧、巷道左帮下部、巷道右帮上部、巷道底板增设锚索，使其原巷道非对称破坏区域形成压应力区，有效的控制了巷道围岩变形，巷道围岩锚杆锚索锚固范围内形成完整的压应力叠加区，此时叠加区巷道围岩的最大压应力值约为7.7MPa，该支护方案较原支护方案具有明显的优势。

4.2 井下工业试验

支护方案在赵庄煤矿进行工业试验，并采用十字交叉法对底鼓量、巷道两帮移近量和顶底板位移变形量进行现场监测，结果如图10所示。

图10 改进支护方案后巷道相对收敛量

由图10可知，巷道自支护后的20d时间内，围岩整体变形速度与变形量较大，巷道围岩变形主要发生在顶底板，顶底板收敛量为258mm，两帮收敛量为180mm，底鼓量为15mm；之后围岩变形趋于相对稳定的缓慢增长，监测至60d时，顶底板收敛量为344mm，两帮收敛量为228mm，底鼓量55mm；60d之后围岩变形趋于稳定。试验巷道在服务期内未发现锚杆、锚索破断失效现象，巷道围岩稳定性好，巷道断面未出现明显的变形。

5 结 论

1)通过对赵庄煤矿33092巷现场调研和理论分析，得出33092巷围岩偏应力S1分布规律为倾斜的“8”字型，属于明显的非对称性破坏。该结果与巷道破坏现状和围岩塑性区理论计算范围较为吻合。

2)采用FLAC3D研究分析了33092巷道围岩破坏的塑性区演化规律，得出了随着3309工作面及3310工作面回采过程的采动影响，33092巷道围岩塑性区大致分为4个阶段：①掘进影响稳定阶段；②一次采动影响阶段；③一次采动后稳定阶段；④二次采动影响阶段。

3)结合理论分析、现场工程实际情况和数值模拟，提出了巷道围岩非对称支护方案，方案改进后的巷道稳定性得到明显的改善，巷道变形整体处于可控状态，保证了其在服务期内的安全使用。