大采高回采巷道围岩的塑性区分布

陈刚，孙广义，王琼

(1.黑龙江科技学院资源与环境工程学院，哈尔滨150027;2.哈尔滨学院，哈尔滨150086)

大采高综采是指厚度大于3.5 m的煤层，采用一次采全高技术的综采方法，该方法具有回采效率高、生产成本低等优点。但由于大采高回采巷道断面大，在回采过程中常会出现变形严重、维护困难等工程问题［1］，尤其是在深井大采高回采巷道中，该问题更为严重［2］，影响正常生产。生产实践表明，大采高开采在采场和回采巷道的矿压显现规律及围岩控制方面与其他开采方法明显不同［3］，且多沿用现有的支护理论和支护方式。这就导致在大采高回采巷道条件下，由于矿压显现剧烈，煤帮塑性区范围大，巷道变形严重［4－5］，锚杆、锚索等支护材料随煤体整体移出［6］，严重影响巷道支护效果和安全程度。因此，开展大采高回采巷道的控制技术研究尤为必要。笔者以龙煤集团城山煤矿为背景，采用现场测试、理论分析、数值模拟的综合方法对大采高回采巷道的塑性区范围进行研究，目的是为大采高回采巷道支护设计提供必要的理论依据。

1 工程概况与实测范围

1.1 工程概况

龙煤集团鸡西分公司城山煤矿开采深度大于800 m，属于典型的深井大采高开采矿。该矿145采煤工作面位于城山煤矿立井东一采区3B#煤层右四面，北起工作面上巷，南至工作面下巷，西起切眼，东至采止线。煤层平均倾角8°，平均采高为4.45 m，顶底板为砂岩及砂页岩。该工作面上巷采用锚杆、锚索支护，但在服务期内，矿压显现剧烈，煤帮塑性区范围大，巷道变形严重，锚杆、锚索随煤体整体移出、失效，严重影响了巷道支护效果和安全程度。

1.2 回采巷道围岩松动范围实测

为了获得巷道围岩松动相关技术参数，使用声波仪和钻孔窥视仪探测巷道塑性区范围和围岩结构状态。利用钻孔窥视仪可以直观地看到钻孔周围围岩的碎裂状态，如图1所示。

图1 岩层钻孔探测图像Fig.1 Detection image in rockhole

由图1可以看出，该巷道围岩主要存在沿钻孔轴向断裂状破坏(图1a)和破碎状破坏(图1b)两种破坏形式，即巷道围岩已产生了松动破坏。

采用KDZ1114－3型便携式声波探测仪对围岩的松动情况进行验证。测点位于145采煤工作面上巷靠近采区车场一侧，钻孔孔径为42 mm，由于设备和测试场地条件限制，钻孔数量为三个，钻孔深度为3～4 m。各测孔的波形图如图2所示。

图2 测孔波形Fig.2 Waveform graph in rockhole

由图2可以看出，在三个测孔的测试围岩范围内，岩石全部处于松动状态，即围岩松动范围大于4 m。但由于测试设备条件限制，该巷道围岩的具体松动范围尚无法准确测定。

2 塑性区分布范围理论分析

在巷道开挖以后，上覆岩层的压力重新分布，巷道两帮煤体在一定深度内形成支撑压力带。由于支撑压力的作用和开采扰动等因素的影响，煤体一定深度内的煤岩已破坏，一般认为煤柱边界处支撑压力为零，随着向煤柱内部深度的增加，支撑压力逐渐增大，直至达到峰值。煤柱边界至支撑压力峰值这一区域称为煤柱的塑性区。该区的宽度是巷道支护参数设计是否可靠的关键，同时也是煤柱设计的重要依据。［7］

应用弹塑性极限平衡理论分析可得圆形巷道塑性区半径计算公式:

式中:Rp——塑性区半径，m;

γ——上覆岩石容重，kN/m3;

H——埋深，m;

c——煤黏聚力，MPa;

φ——煤内摩擦角，(°)。

R0——巷道半径，m。

非圆形巷道目前仍不能从理论上解决其塑性区形状及大小问题，但可以采用将其视半径作为圆形巷道的外接圆半径进行计算，求得塑性区半径后再乘以修正系数(η)，得到非圆形巷道的塑性区范围［8］。计算式为

参考城山矿相邻矿井实验资料，煤的内聚力取2 MPa，内摩擦角取35°，修正系数η取1.4，巷道埋深为800 m，上覆岩层平均容重26.5 kN/m3。通过式(1)计算得该回采巷道围岩塑性区范围为11～14 m。

3 有限元模拟

利用ANSYS软件对龙煤集团城山煤矿145采煤工作面上巷围岩松动范围进行模拟分析。依据该工作面上巷实际情况建立五组有限元模型。模型长100 m，宽100 m;巷道位于模型中心，宽度4 m，高度分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m，力学参数见表1。模型上边界为压力载荷20.0 MPa，下边界及两侧为固定支撑边界。

各工况下巷道围岩的塑性区分布范围如图3所示。图3中巷道周边空白区域为围岩塑性区，巷道高3.0 m时，两帮塑性区最大11.2 m，顶板塑性区最大8.7 m，底板塑性区最大9.2 m;巷道高3.5 m时，两帮塑性区最大13.3 m，顶板塑性区最大9.0 m，底板塑性区最大10.4 m;巷道高4.0 m时，两帮塑性区最大16.5 m，顶板塑性区最大9.6 m，底板塑性区最大9.2 m;巷道高4.5 m时，两帮塑性区最大19.5 m，顶板塑性区最大10.6 m，底板塑性区最大13.0 m;巷道高5.0 m时，两帮塑性区最大22.0 m，顶板塑性区最大11.5 m，底板塑性区最大16.0 m。

表1 力学参数Table 1 Mechanical parameters

图3 塑性区分布Fig.3 Plastic stress distribution

围岩松动范围最大值(lmax)与巷道高度之间关系曲线如图4所示。从五组模拟结果来看，巷道周围塑性区范围两帮最大，底板次之，顶板相对最小，且塑性区范围随着巷道高度的增加而增大。巷道高度为5.0 m时两帮塑性区最大值比巷道高3.0 m增加了96%，顶板塑性区最大值增加了32%，底板塑性区最大值增加了74%，由此可见，巷道高度越大，对两帮和底板的支护越困难。

图4 塑性区范围与巷道高度关系曲线Fig.4 Relationship between plastic range and roadway height

4 结束语

由龙煤集团城山煤矿145采煤工作面的现场观测、理论分析和有限元模拟结果可以看出，随着巷道高度的增加，围岩的塑性区范围不断增加，其中两帮增量最大，其次是底板，顶板塑性区最大值增量最小。根据塑性区影响范围及其与巷道高度之间的关系，建议采用以下两种方法:一是在满足生产安全、运输、通风、行人的情况下尽可能减小巷道高度;二是增加注浆工艺，将破碎的围岩黏结成一个整体，增加围岩整体强度，以达到有效控制巷道围岩的目的。

［1］ 肖同强.深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩稳定与控制研究［D］.徐州:中国矿业大学，2011.

［2］ 李团结.大采高综采工作面回采巷道围岩控制技术的探讨［J］.科技资讯，2010(1):33－34.

［3］ 陈建本，徐天才，张炜，等.深井软岩巷道底膨机理及其控制［J］.煤矿安全，2011(6):156－159.

［4］ 高富强，高新峰，康红普.动力扰动下深部巷道围岩力学响应FLAC分析［J］.地下空间与工程学报，2009，5(4):680－685.

［5］ 王连国，李明远，王学知.深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(6):2889－2893.

［6］ 孙广义，陈刚，兰永伟.东海煤矿深部巷道支护技术［J］.黑龙江科技学院学报，2011(1):28－31.

［7］ 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［8］ 张绪言.大采高回采巷道围岩控制技术研究［D］.太原:太原理工大学，2010.

［9］ 冯海英，刘德乾，赵鹏燕.不同断面形式深埋巷道围岩破坏数值模拟分析［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2011，28(3):26－30.