深井冲击地压回采巷道围岩变形破坏规律研究

焦 彪，贾金兑

(1.陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 713600；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054 )

近年来，随着煤炭资源需求增加，我国矿井开采深度也逐渐加深，目前正以每年8～12m的速度逐年加深，开始逐渐进入深部开采阶段[1，2]。受深部“三高一扰动”的复杂力学环境影响[3]，深部矿井开采面临着严重的岩石动力失稳灾害，岩石动力失稳灾害是发生在局部的突然性岩石动力显现现象，破坏性强，很难预测，因此冲击地压成为深部开采条件下最严重的灾害之一。

由于深部力学环境的复杂性，对于深部冲击地压的研究目前还处于初级阶段[4]，但也越来越受到国内外专家学者的重视。赵志强等[5]以弹塑性力学中孔洞围岩破坏平面应变模型为基础，建立了巷道围岩破坏形态与非等压区域应力场的力学模型，认为双向非等压条件下巷道围岩会产生类似于蝴蝶形状的蝶形塑性区；陈上元等[6]采用地质分析、物理相似模拟和现场试验相结合的方法，研究了深部动压巷道复合变形力学机制，提出了采动应力造成巷道围岩应力场大小和方向发生了改变，是引发巷道产生非对称变形的主要因素。针对深部巷道围岩变形规律研究虽然已经取得了一定的研究成果，但目前仍主要集中于常规条件下巷道FLAC3D模拟及理论分析等[7-11]，对于深部受冲击地压影响的巷道围岩变形规律工程实际研究相对较少。因此，以陕西彬长矿业集团胡家河煤矿402102工作面回风巷为工程背景，采用理论分析、FLAC3D数值模拟相结合的研究手段，分析了深部坚硬特厚煤层冲击地压影响下的巷道围岩变形规律，并通过现场监测试验进行了验证，为深部矿井冲击地压防治及巷道围岩变形特征研究提供了理论及实践工作基础。

1 矿井概况

胡家河煤矿位于陕西省咸阳市西北部，彬长矿区中北部。井田主要可采煤层为4#煤层，可采面积47.655km2，煤层厚度一般为10～15.00m，属大部可采煤层。以4#煤层402102工作面巷道围岩为研究背景，该工作面可采长度为1793m，倾向长度180m，埋深570～670m，煤层厚度14m，采用分层综采放顶煤采煤法，割煤设计高度3.5m，放顶煤高度10m。工作面共设计四条回采巷道，分别为运输巷道、回风巷道、高抽巷道和泄水巷道，所研究回风巷道位于工作面东侧，与402103采空区间煤柱宽度70m，其长度为1885m，矩形断面净宽5.4m，净高3.4m，S净=18.36m2，采用锚网索喷联合支护。

4#煤层上、下分层均具有强冲击倾向性，顶板也具有弱冲击倾向性，所属402102工作面巷道长期受冲击地压影响。随着工作面回采，掘进工作面均会出现强烈的动力显现现象，“煤炮”频繁发生，局部巷道漏顶严重，锚杆(索)频繁拉断，局部巷道出现底鼓现象，严重时甚至导致带式输送机支架偏移、掘进机发生位移等，巷道围岩变形破坏严重，给矿井安全生产带来了一定的影响。

2 巷道围岩冲击破坏机制

巷道围岩变形主要是由采掘活动造成巷道围岩应力发生变化而引起的。在深部高应力环境开采条件下，随着采掘活动的进行，巷道周围煤岩体应力重新分布，巷道围岩周围会出现一定的应力集中现象，但整体处于较为稳定的状态，承受高应力的顶底板煤岩体一般不会直接发生冲击破坏[12]。只有在采动应力、构造应力和自重应力等叠加影响下，巷道围岩应力开始超过围岩的承载能力，此时围岩应力平衡状态遭到破坏，在煤岩体深处冲击震源冲击波作用下工作面煤体发生破坏[13]，巷道围岩瞬间发生剧烈的变形，进而产生巷道围岩冲击地压破坏[14]。

深部高应力特厚煤层开采时，由于煤体应力分布、地质条件等均发生较大变化，深部巷道围岩变形也随之呈现明显的非线性变化状态。巷道围岩变形主要受工作面超前支承压力的影响，沿工作面走向超前支承压力不断提高，巷道围岩变形也随支承压力提高而不断增大，两者分布情况基本一致。而深部围岩变形较之支承压力变化具有一定的滞后性，即距离回采工作面较远时巷道围岩变形量一般较小，随着工作面逐渐推进，围岩所受超前支承压力提高，围岩内能量逐渐积聚，在距离工作面一定距离时，在多种应力的叠加效应下，煤体能量释放并迅速失稳破坏，巷道围岩变形呈现迅速增长的状态，并在一段时间后达到最大值。

巷道围岩受采动影响后，受到超前支承压力的作用，如果将原岩应力看作σ0，则受采动影响后的支承压力为(1+k)σ0，根据极限平衡理论可得到受采动后巷道围岩的塑性区半径R及其周边的位移u[15]：

式中，σ0为原岩应力，MPa；r0为巷道半径，m；p为支架阻力，MPa；φ为内摩擦角，(°)；k为应力集中系数；c为内聚力，MPa；G为剪切弹性模量，MPa。

由理论计算和实验煤岩力学参数测试结果可知：σ0=15MPa，r0=2.7m，φ=40°，k=4，c=3.2MPa，G=613MPa，p=15MPa。将各参数代入计算得，R=3.71m，u=0.058m，即巷道塑性区宽度为R-r0=0.71m，在锚固区范围内，表面位移量为58mm，可以满足现场生产需要。

从式(1)、式(2)也可以看出，当k>0时，此时围岩受到超前支承压力作用，塑性区半径和围岩周边的位移均增大，当巷道处于应力集中区时，受到采动应力及构造应力等叠加影响，煤岩体所受应力迅速超过自身承载能力，发生剧烈的冲击变形破坏。

3 围岩变形破坏规律模拟分析

3.1 模型建立

以胡家河煤矿402102工作面回风巷为工程背景，采用FLAC3D数值模拟分析深部冲击回采巷道围岩变形破坏规律。模拟埋深600m，所建模型尺寸为610m×1500m×130m，为提高计算的精度，在巷道附近对网格进行加密，X方向上每格代表1m，Y方向上每格代表5m。在模型竖直方向加载上覆岩层的自重应力15MPa，水平应力为18MPa，并限制模型前、后、左、右和下等五个表面的位移和初速度，同时底面为固定约束，模拟的模型采用基于弹塑性理论的摩尔-库伦强度准则。模拟煤岩层力学参数见表1。

表1 模型煤岩层物理力学参数

模拟煤层巷道埋深达687m，为典型的深部冲击地压矿井，其地应力规律与一般巷道存在明显区别，主要体现为水平应力大于垂直应力。为了在数值模拟中较为准确地体现巷道地应力规律，运用从整体到局部的方法，即先建立大边界模型确定工作面边界的初始地应力，进而以此为基础进行巷道周围区域的模拟，模拟与现场实测结果比较符合。

3.2 巷道围岩塑性变形规律分析

为了研究402102工作面受采动影响的巷道围岩变形破坏规律，模拟分析了工作面回采期间距离工作面不同距离的巷道围岩塑性区变化规律，如图1所示。

图1 回采期间巷道围岩塑性区变化规律

深部巷道围岩受到的采动影响程度不同，围岩塑性区分布也会发生一定的改变，距离工作面距离越近，塑性区分布范围越大，巷道围岩变形破坏更加严重。由图1可知，在工作面回采采动影响下，工作面前方围岩塑性区开始逐渐增大。在距离工作面前方10m范围内时，顶板及煤柱侧围岩位于应力集中区，此时围岩发生大范围的塑性变形破坏，破坏深度可达3m，而煤壁侧及底板围岩由拉伸破坏逐渐转为剪切破坏，但塑性破坏范围基本稳定，最大塑性破坏深度为1m，巷道围岩产生小幅度的变形破坏。

为通过数据直观表示出回采采动影响下的巷道围岩塑性区变化规律，针对图1中塑性区破坏范围进行统计分析，得到不同采动影响下的巷道围岩塑性区最大破坏范围，如图2所示。

图2 巷道围岩塑性区变形破坏规律

由图2可知，距离工作面越近，受到采动应力作用越明显，围岩塑性区破坏范围越大，其中顶板及煤柱侧围岩位于应力集中区，围岩变形破坏深度相对更大。通过对至工作面煤壁不同距离下的巷道顶底板及两帮围岩塑性区分布情况进行比较分析，认为回采期间巷道顶板和两帮塑性区范围呈现出抛物线形式变化，当回采至一定距离时，巷道塑性区范围趋于稳定，其中巷道顶板最大塑性区范围为3m，底板最大塑性区范围为0.75m，煤柱帮塑性区最大范围为1m，煤壁帮最大塑性区宽度为0.75m。模拟确定巷道塑性区范围为0.75m，与理论计算0.71m结果基本符合，其中，煤柱帮受采动影响明显，塑性区宽度较煤壁侧相对偏大。研究确定，采动影响下回风巷顶底板围岩塑性区范围大于两帮，顶板围岩塑性范围大于底板，煤柱侧围岩塑性范围大于煤壁侧围岩。

综上可得，距离工作面越近，回采强扰动造成巷道围岩塑性破坏越显著，在距离工作面前方10m范围内时顶板及煤柱侧围岩塑性破坏范围显著增大，引起巷道围岩发生较大范围的变形破坏，顶板及煤柱侧围岩冲击变形破坏特征明显。

4 巷道围岩变形现场监测

为确定工作面回采巷道冲击围岩变形规律，在402102工作面回风巷顶板及两帮分别布置深基点位移计并对围岩变形情况进行了观测分析。

4.1 巷道两帮围岩变形分析

4.1.1 煤壁侧巷帮围岩变形分析

煤壁侧围岩变形曲线如图3所示，由图3可知：在距离工作面80m范围外，巷道煤壁侧围岩位移变化很小，基本不受采动影响；在距离工作面80m范围内时，开始受到工作面超前采动影响，巷道围岩变形程度逐渐增大；在距离工作面10～45m范围内时，巷道围岩变形开始呈现较大幅度增长，围岩位于应力集中区内，煤壁侧围岩受工作面采动影响剧烈。

图3 煤壁侧围岩变形曲线

4.1.2 煤柱侧巷帮围岩变形分析

煤柱侧围岩变形曲线如图4所示，由图4可知：在距离工作面80m范围外，围岩位移变化很小，此时煤柱侧围岩基本不受工作面超前采动影响；在距离工作面80m范围内时，围岩位移出现小幅度增长，此时开始受到超前采动影响，巷道围岩开始出现一定程度变形；在距离工作面55m范围内，围岩位移逐渐呈现较大幅度增长趋势，围岩位于应力集中区，此时煤柱侧围岩受工作面采动影响剧烈。

图4 煤柱侧围岩变形曲线

对比分析可以得出，留设45m区段煤柱条件下，回采巷道煤柱侧围岩变形影响范围大于煤壁侧围岩，且煤壁侧煤体发生一定的相对位移，而煤柱侧围岩3.5m范围内煤体均发生了一定程度的变形，深部围岩变形相对更为明显。整体上来说，巷道煤柱侧与煤壁围岩最大围岩变形量达80mm，两帮变形趋于可控的稳定范围内。

4.2 巷道顶板围岩变形分析

在分析回采采动影响下巷道煤柱侧及煤壁侧围岩变形规律的基础上，以所测顶板围岩深基点位移，针对所测顶板围岩变形情况进行比较分析，确定工作面回采采动影响范围及其顶板围岩变形特征，如图5所示。

图5 顶板围岩变形曲线

由图5可知：在距离工作面145～160m范围外，围岩位移变化很小，此时顶板围岩基本不受工作面超前采动影响；在距离工作面145～160m范围内时，围岩位移呈现较大幅度增长，此时围岩位于应力集中区，受工作面超前采动影响；在距离工作面80m范围内，回风巷顶板测点围岩变化程度偏小，围岩变形趋于平缓，巷道围岩变形稳定，受超前支护及卸压工程等的综合作用，巷道顶板围岩维护状况良好。其中，两侧点顶板围岩位移增幅基本一致，两者变形规律基本相似，最大围岩位移量分别达到180mm和110mm，区别是顶板围岩分别在距离巷帮8m和4m范围内以及4m和2.5m范围内的煤体出现一定程度的相对位移，表明顶板围岩最大离层破坏现象深度在4m左右，总体围岩变形趋于稳定，具体受地质条件及支护工程等多种因素影响。

以上所测数据均为巷道在实施超前支护及爆破卸压的基础上，其中实际测所得巷道两帮表面相对位移量分别为27mm和53mm，煤柱侧实测与理论计算结果57mm基本相符，而煤壁侧位移量偏小，表明巷道超前卸压等工程效果良好，较好满足了安全生产需要。

综上可得，沿402102工作面走向可将回风巷围岩变形在回采期间可划分为三个阶段：①无采动影响阶段，在距离工作面前方145～160m范围以外的区域，该阶段回风巷基本不受采动影响，巷道维护状况良好；②采动影响阶段，在距离工作面前方145～160m范围内时，由于受到工作面超前支承压力的影响，巷道围岩变形量出现较大幅度增长，其中在距离工作面前方80～100m范围内时，受超前支护及卸压工程等措施，巷道顶板围岩变形基本趋于平缓；③采动影响剧烈阶段，在距离工作面超前45～55m范围内时，煤柱侧及煤壁侧围岩位移均开始出现较大幅度增长，煤柱侧采动影响范围大于煤壁侧围岩，此时围岩位于应力集中区，受工作面采动影响剧烈。

5 结 论

1)回采巷道围岩受回采强扰动作用影响明显，距离工作面越近，受到采动影响越大，巷道围岩变形程度越大，反之，则围岩变形程度越小。

2)深部坚硬特厚煤层开采条件下，受冲击地压作用围岩变形也具有突变性，往往在回采至一定距离时，多种应力叠加引发冲击性围岩变形破坏，围岩变形迅速增长。

3)在留设45m区段煤柱条件下，回采巷道顶板围岩受回采扰动影响范围较大，两帮受回采扰动影响范围较小，且煤柱侧采动影响大于煤壁侧。