动压软岩条件下沿空掘巷围岩失稳机制研究

赵国会 尹增德 刘进晓 周 豪 冯宜语

(山东科技大学矿业与安全工程工程学院)

动压软岩条件下沿空掘巷围岩失稳机制研究

赵国会 尹增德 刘进晓 周 豪 冯宜语

(山东科技大学矿业与安全工程工程学院)

基于动压条件下软岩巷道围岩变形机理等相关理论，借助岩石力学实验、FLAC3D数值模拟，对龙口梁家煤矿六采区4600工作面下顺槽沿空掘巷围岩失稳机制进行了系统研究。结果表明：深部高应力、围岩低承载能力以及动压的影响是工作面下顺槽围岩失稳的主要原因。

动压 数值模拟 软岩 沿空掘巷 围岩失稳

为了降低巷道掘进工程量，提高工作面煤炭资源回收率，一些主要产煤国家从上世纪50年代开始进行沿空掘巷的试验研究。现该技术已趋成熟，也在现场得到了很好的应用，但是，对于动压条件沿空掘巷的研究还相对较少。澳大利亚主要研究条带开采中采宽与煤柱宽度的关系[1]；英国A.H威尔逊提出煤柱两区约束理论，推导出了三向应力状态下煤体的极限强度简化计算公式，通过实验确定煤柱屈服区宽度，并在实验的基础上得出煤柱承载能力的计算公式[2]；何满潮提出的软岩工程力学支护理论，是由工程地质学和现代大变形相结合的研究方法，通过分析软岩变形的力学机制，提出以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论[3]；林育梁分析软岩变形流动型式与软岩支护优化之间的关系，指出软岩的支护应与其变形流动型式相适应[4]。动压条件下软岩巷道因其矿压显现剧烈、围岩变形量大的特点而变得难以维护，因而成为制约煤矿发展的一大瓶颈[5]。

1 梁家煤矿基本概况

梁家煤矿4煤层6采区内隐伏较大断层且缺失带较发育，采区巷道围岩属于典型的三软地层，内含大量泥岩，遇水易泥化，维护困难。4600工作面位于已经开采的4602工作面北侧，两工作面的位置关系如图1所示。由于矿井生产接替的需要，开采4602工作面的同时必须掘出4600工作面的顺槽。为了减少对其影响，4600工作面下顺槽追4602工作面掘进，当4602工作面到达停采线后，4600工作面下顺槽再相向对掘直至贯通。在此过程中4600掘进工作面会受到4602回采工作面采动的影响。

1.1 巷道围岩力学实验

为了研究该矿巷道围岩变形机制，在该矿煤4六采区皮带下山中部水仓位置，采用常规水钻法钻取岩芯，选择8个岩石试件，编号01～08。采用MTS815.03电液伺服岩石试验机，对岩样进行力学实验，得到单轴压缩强度、弹性模量等力学参数，以此为依据计算普氏系数，岩力学参数见表1。

图1 4600工作面位置

表1 单轴压缩试验结果

通过单轴压缩试验得出：大部分试件在较低强度下就产生脆性破坏，试件的普氏系数最大为2.543，属于软岩范畴，说明软岩是导致梁家煤矿工作面巷道围岩的稳定性极差且变形剧烈的原因。

1.2 动压巷道围岩破坏机制

动压作用下巷道围岩破坏机理即为煤柱失稳和顶板失稳机理。动压条件下巷道小煤柱、顶板是一个有机整体，因此，巷道围岩变形和失稳破坏是各组成部分之间相互作用、相互影响的综合结果，任一部分变形失稳都将导致部分乃至整个巷道围岩的失稳破坏。

1.2.1 动压作用下煤柱失稳机理分析

沿空掘巷留“窄煤柱”的基本概念是：只隔离、不承载，即巷道尽可能布置在采空区侧向支撑压力引起的应力释放区内部，煤柱仅仅起到隔离工作空间和采空区的作用，煤柱本身不承受荷载，“窄煤柱”力学模型如图2所示。

图2 “窄煤柱”力学模型

在“窄煤柱”力学模型中，应力分布趋向均匀，从煤柱边缘至内部，一般会出现片帮区、松弛区、塑性区，煤柱中央的弹性区很小甚至不存在，而且整个煤柱都会发生塑性变形，煤柱可能会因长期处于塑性流变状态下而遭到严重破坏。因此，小煤柱支撑作用几乎完全丧失。

动压作用下，更加剧了煤柱的失稳破坏，此时煤柱已经完全进入塑性破裂状态，大大降低了煤柱的整体承载性能，在老顶岩梁的整体回转运动中，煤柱不断向巷道内侧和采空区两个方向坍塌，导致煤柱的失稳(如图3)。

图3 动压影响下的小煤柱失稳

1.2.2 动压作用下顶板失稳机理分析

在回采动压的作用下，沿空侧和实体煤侧的煤体分别或较大范围进入塑性状态，两帮的承载能力进一步丧失。如果此时顶板及两帮未采取有效地支护或支护结构整体刚度不够，则顶板极易发生离层弯曲下沉，两帮煤体因承受不了顶板离层弯曲下沉带来的高应力集中而崩溃，迅速增大了巷道的跨度，进一步加剧了顶板的离层弯曲下沉。见图4。

图4 动压影响下的顶板失稳

通过对地质条件和现场情况的分析，4600下顺槽应该受到以下4方面次生应力的影响：①4602工作面回采引起的次生应力；②巷道掘进自身引起的次生应力；③巷道对掘引起的次生应力；④4600工作面回采引起的次生应力。由于这4种次生应力同时或是阶段性的对于顺槽的影响，使得下顺槽围岩破坏严重，动压也是导致围岩失稳的重要原因。

2 梁家矿4600工作面动压条件下数值模拟

2.1 数值模拟模型建立

本模拟分析4600工作面下顺槽掘进巷道在掘进头滞后4602工作面60 m的情况下，工作面开采对巷道稳定性的影响。4602工作面在连续推进3次的情况下，研究下顺槽在动压影响下的塑性区分布。掘进工作面推进10 m与4602工作面推进10 m一次性完成，工作面每推进一次则巷道受一次动压影响。

模型尺寸为99.4 m×120 m×40 m，网格划分为55×50×30。模型上部按均布载荷布置，垂直应力按上覆岩层重量计算，水平应力取垂直应力的1倍，垂直应力值为11.25 MPa，选取Mohr-Coulomb屈服准则。

模型边界条件：x轴方向上的两个边界面均为滑移支座，约束x轴方向位移；y轴方向上的两个边界面也均为滑移支座，约束y轴方向位移；z轴方向模型底面为固定端，约束其各个方向上的位移。

2.2 数值模拟结果分析

根据上述数值模拟参数建模、计算，得出4600工作面下顺槽动压条件下围岩塑性区分布，见图5。

图5 动压条件下围岩塑性区分布

由图5可以看出，4602工作面推进60 m后，顶板岩层开始垮落、弯曲下沉，塑性破坏区分布较广泛，顶板岩层弯曲下沉部位均出现塑性破坏；当工作

面向前推进10 m时，巷道受到来自于工作面开采的第一次动压影响，巷道围岩塑性区范围急剧增加，巷道与采空区之间的小煤柱发生弯曲变形，小煤柱采空区侧向采空区鼓出，出现拉应力，产生拉破坏，巷道与采空区之间的小煤柱整体发生塑性屈服；当巷道受到第二次动压影响时，巷道上部岩层的塑性区明显的增大，小煤柱依然完全处于塑性状态，两次动压影响下整个小煤柱均一直处于塑性破坏状态，小煤柱无法支撑上部岩层的压力，同时可以看出顶板塑性区范围也有所增大。通过上述动压条件下巷道围岩破坏机制可知，顶板及小煤柱的失稳破坏必将导致巷道围岩的失稳和破坏，因此动压的影响严重威胁着巷道的稳定与掘进工作面的安全。

3 结 论

(1)梁家煤矿动压因素的存在严重影响着巷道围岩的稳定性，因而在沿空掘巷掘进过程中，须考虑到相邻区段工作面推进以及自身掘进而产生的影响，因而在原有支护基础上，特别是关键部位要进行相应的加强支护。

(2)通过数值模拟确定：高地应力、低围岩承载能力导致巷道支护困难。深部高地应力、围岩低承载能力、动压因素的影响是工作面下顺槽围岩失稳的主要原因。

(3)梁家煤矿开采动压影响与软岩问题增加了煤矿开采和巷道的支护难度，在实际开采作业时要综合分析各影响因素的耦合作用，以便采取相应的联合支护措施应对复杂的地质环境。

[1] 谢和平，段法兵，周宏伟，等.条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展[J].中国矿业.1998,7(5):37-41.

[2] Wilson A H,Ashwin D P.Research into the determination of pillar size[J].The mining Engineer.1972,131:409-417.

[3] 何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程地质力学研究进展[J].工程地质学报,2000,8(1):46-62.

[4] 林育梁.软岩工程力学若干理论问题的探讨[J].岩石力学与工程学报,1999,18(6)::690-693.

[5] 张向阳.动压影响下大巷围岩变形机理与卸压控制研究[J] .安徽理工大学学报，2007(2)：1-2.

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Research on the Surrounding Rock Instability of Roadway Driving along Next Goaf under the Condition of Dynamic Pressure and Soft Rock

Zhao Guohui Yin Zengde Liu Jinxiao Zhou Hao Feng Yiyu

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology)

Based on the deformation mechanism of surrounding rock under dynamic pressure，the methods of rock mechanical testis condected by using the numerical simulation by FLAC3Dto study on the deformation mechanism of surrounding rock in roadway driving along next goaf in six mining district 4600 working face of Liangjia coal mine in Longkou. The results showe that, deep high stress, low bearing capacity of surrounding rock and effect of dynamic pressure are proved to be the main reasons of roadway failure.

Dynamic pressure, Numerical simulation, Soft rock, Roadway driving along goaf, Surrounding rock instability

2014-09-24)

赵国会(1988—)，男，硕士研究生，266590 山东省青岛市经济技术开发区前湾港路579号。