采动影响下巷道围岩应力分布及变形特征分析

陈宪伟，石 媛，吕 振

（1.山西潞安环保能源开发股份有限公司 常村煤矿，山西 长治 046102；2.山西省科技资源与大型仪器开放共享中心，山西 太原 030006；3.河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引言

回采巷道围岩受到上区段采空区高应力影响，应力重新分布，导致回采巷道围岩控制愈加困难。在回采过程中，巷道垂直应力得到释放，帮部一定范围内煤体所受垂直应力增加，水平应力不断降低，国内学者对采动影响下巷道围岩变形破坏特征进行了一定研究[1-4]。任建慧[5]针对布尔台煤矿42107 工作面辅运巷受采动影响矿压显现剧烈等问题，得到了采动影响下回采巷道矿压显现规律，并揭示了采动影响下回采巷道围岩应力影响因素及作用机制；巩志力[6]为了确保采动影响下巷道的稳定性，模拟了煤巷开挖围岩应力变化全过程，围岩应力、变形分布情况，以及工作面回采后垂直应力分布。结合前人研究成果，本文通过数值模拟方法，对常村煤矿S3-7 工作面回采巷道应力分布及位移变形规律进行研究，分析不同回采阶段、不同工作面长度下超前巷道垂直应力及位移变化规律，确定采动影响下重点支护部位。

为更直观的反映因采动造成的超前支承压力对沿空巷道围岩的影响，将S3-7 工作面划分为两部分，一部分为150 m 的窄侧工作面，另一部分为220 m 的宽侧工作面，如图1 所示，分析在6 m 煤柱的前提下，窄侧工作面和宽侧工作面开挖过程中，对巷道围岩矿压分布以及超前支承压力的分布规律。

图1 S3-7 工作面平面示意Fig.1 Plane of No.S3-7 Face

1 采动影响下巷道围岩应力分布

1.1 窄侧工作面巷道围岩应力分布

在S3-7 工作面回采过程中，巷道和煤柱内会形成超前支承压力，模拟分析窄侧工作面在回采50 m 情况下超前5 m、超前10 m、超前20 m 和超前25 m 处巷道围岩应力分布特征。

图2 为巷道围岩垂直应力分布云图，在工作面前方煤柱内和巷道实体煤侧应力变化呈现出先增大后减小的趋势，窄煤柱内和实体煤侧垂直应力和水平应力在工作面超前10 m 时达到最大值，且应力值增长迅速，此处矿压显现较剧烈，表明工作面在10 m 范围内煤柱及巷道围岩破碎较严重，超前距离超过15 m 后，工作面支承压力开始呈现下降趋势，超前支承压力的影响逐渐减弱，煤柱及巷道围岩逐步恢复承载能力。

图2 不同超前距离时巷道围岩垂直应力分布Fig.2 Vertical stress distribution of roadway surrounding rock at different advance distances

1.2 窄侧工作面巷道围岩位移分布

图3 为回采工作面前方不同位置处的巷道围岩位移曲线。分析曲线可知，巷道围岩及煤柱变形受工作面回采的影响，随着距工作面越来越远，巷道围岩变形趋于稳定，煤柱承载能力逐步增强。结合超前支承压力云图可知，窄侧工作面在超前距离较近时矿压显现剧烈，但随着超前距离的增加，越来越靠近宽侧工作面，考虑受宽侧工作面的支撑作用，巷道围岩位移量降低明显。

图3 窄侧工作面前方不同位置处巷道围岩位移曲线Fig.3 Displacement curve of roadway surrounding rock at different positions in front of narrow side working face

1.3 宽侧工作面巷道围岩应力分布

窄侧工作面回采结束后，回采工作面宽度由150 m 增加至220 m，由于窄侧工作面在距宽侧工作面范围较近时，巷道围岩变形量明显降低，考虑因为窄侧工作面回采时有部分超前支承压力会被宽侧工作面超出部分分担，应力环境分布可能有所差异，因此对宽侧待回采工作面进行超前支承压力分布规律分析，此时宽侧工作面的状态为三侧完全采空状态。

模拟分析宽侧工作面在回采50 m 情况下超前5 m、超前10 m、超前15 m 和超前20 m 处煤柱及巷道围岩应力分布特征，分析窄侧工作面和宽侧工作面应力环境分布差异，如图4 所示。

图4 为巷道垂直应力分布云图（曲线为巷道底板提取），在工作面距离超前5 m 时，应力环境较窄侧工作面有较大差异，在巷道实体煤侧形成的应力集中最大值由33.1 MPa 增长为46.8 MPa，巷道围岩承载能力较窄侧工作面有明显增强，且整个过程中应力变化较缓和，与窄侧工作面此处矿压显现剧烈现象表现出较明显差异。工作面超前距离大于10 m 后，煤柱内及巷道实体煤侧应力呈现降低趋势，受工作面回采产生的超前支承压力影响范围与窄侧工作面类似。

1.4 宽侧工作面巷道围岩位移分布

图5 为宽侧工作面前方不同位置处的巷道围岩位移曲线。结合窄侧工作面整体围岩变形变化趋势分析，对比可知宽侧工作面回采巷道围岩变形受采动造成的超前支承压力影响下变化较轻缓，煤柱及巷道围岩整体强度提高，在工作面超前5 m 至超前30 m 的范围内，位移量整体变化趋势不如窄侧工作面变化明显，考虑为宽侧工作面所处状态为三侧采空状态，应力环境在窄侧工作面回采结束后逐步趋于均匀，而窄侧工作面应力环境受宽侧工作面影响，应力分布不规律，导致其巷道围岩变形量变化差异较大。

2 采动影响下采场内超前支承压力分布

图6 表示了S3-7 工作面在回采45、135、215、和295 m 时宏观采场内应力环境分布规律。

图6 回采后采场内应力环境分布Fig.6 Distribution of stress environment in mining field after mining

（1）在回采45 m、135 m 的过程中，在实体煤边缘产生了超前支承压力，在采空区边缘呈扇形分布，且在宽侧工作面凹出的部分出现较大的应力集中，表明窄侧工作面在回采时，在窄侧工作面与宽侧工作面相邻的三角区，其受到的超前支承压力会有一部分被宽侧工作面凹出区域分担，使此三角区的巷道围岩变形减小，易进行巷道围岩控制。

（2）在回采215 m 和295 m 过程中，此时回采宽侧工作面区域的状态为三侧临空，左侧为6 m窄煤柱，右侧为30 m 宽煤柱，因此工作面在靠近窄煤柱的应力集中值明显高于宽煤柱侧，同样在窄煤柱侧超前支承压力影响范围也明显偏广。

（3）回采结束后，工作面中心区域覆岩触底压实，应力逐步恢复到原岩应力。在窄煤柱下拐点处应力集中最大，两侧上区段采空区受二次采动影响，产生了二次应力集中。回采工作面围岩应力扰动较大，需要超前支护。

3 结论

（1）随着工作面的推进，超前支承压力峰值呈增长趋势，但增长趋势较小。在巷道实体煤侧深处约10 m 处达到支承应力峰值，侧向影响范围约55 m，在超前支承压力的影响范围内，呈现出先升高后下降再升高的趋势，工作面超前支承压力受采动影响也较大。

（2）在采动影响下，宽侧工作面回采巷道围岩变形变化趋势较轻缓，在工作面超前5 m 至超前30 m 的范围内，位移量整体变化趋势不如窄侧工作面变化明显。

（3）分析不同回采阶段、不同工作面长度下超前巷道垂直应力及位移变化规律，确定采动影响下重点支护部位。该研究可为类似矿井提供参考。