动压影响下巷道围岩应力及变形规律数值模拟研究

杨 帆权春阳

（1.晋能控股集团双创中心，山西大同037001;2.晋能控股集团科技信息部山西大同037001）

0 引言

巷道的稳定与安全与否直接影响矿井安全的正常生产，动压已是影响巷道支护质量和效果的一个主要因素[1]，8103工作面位于王村煤业东盘区，平均埋藏深度为500.1 m左右，平均煤层厚度2.67 m。5103回风巷在实煤中掘进，巷道断面净宽×净高=5 500 mm×3 200 mm，设计长度2 577 m，南为东盘区8101工作面，东为三条盘区巷，西、北均为实煤区，8103工作面5103回风巷与相邻8101工作面间隔25 m煤柱。5103回风巷在服务期间要分别受到自身巷道掘进、工作面顶回风巷、相邻8101工作面回采多种采动影响，巷道围岩应力变化特征复杂，在多重矿山压力的综合作用下，对5103回风巷巷道后期稳定性会造成较大影响。

目前国内外学者对采煤工作面围岩移动特征、基本顶的周期来压、工作面上覆岩层移动规律等方面已取得了大量研究成果，但这些研究成果主要聚焦上覆岩层的“三带”和回采空间周围的煤柱区域，而对动压引起巷道围岩变形破坏的研究成果尚不多见[2]。本文通过开展巷道围岩地质力学测试，研究综掘面巷道不同阶段采动应力和变形特征，提出对非动压影响段巷道及动压影响段巷道差异化支护设计。

1 巷道围岩地质力学特性研究

利用KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪、WQCZ-56型围岩强度测定装置及SYY-56型水压致裂地应力测量仪，在王村煤业开展了3组巷道围岩综合地质力学测点的测试工作，每个测点的测试内容包括井下巷道围岩结构观测，围岩强度测定、地应力测量。如图1所示。

图1 地质力学测试测点位置示意图

围岩强度和结构观测结果表明，王村煤矿山4#煤层直接顶砂质泥岩平均原位强度在巷道浅部能够达到70 MPa左右，且巷道顶板4 m范围内砂质泥岩的结构稳定，节理裂隙发育不明显，且厚度超过3 m，对于后期巷道变形和维护是比较有利的因素，因此巷道直接顶围岩稳定性相对较好，巷道后期支护难度相对较小，如图2所示。

图2 山4#煤层顶板围岩结构观测与围岩强度测试

现场实测表明所测区域最大水平应力均超过13 MPa，最大值为16.63 MPa，垂直应力均超过10 MPa，应力场在量值上属于中等地应力场。应力场类型为σH＞σV＞σh型应力场[3]，所测区域内地应力以垂直水平应力为主，水平主应力对巷道顶底板的影响作用大于对巷道两帮的影响，垂直应力主要影响巷道的两帮受力和变形。

5103回风巷道布置在北偏西73°上，最大水平主应力方向北偏西33.3°和北偏东34.2°之间，这说明5103回风巷从地应力的角度来说巷道布置方向与最大水平方向夹角在40°～74°之间，此时最大水平应力对巷道稳定性影响程度有一定影响[4]，考虑到最大水平应力属于中等偏低应力场，故而其影响程度相对比较有限，对巷道围岩稳定性不会产生非常显著的影响。

2 综掘面巷道不同阶段采动应力和变形特征

2.1 数值模拟方案

采用大型FLAC3D数值软件，按照王村煤业实际工程地质状况，坐标系采用直角坐标系，XOY平面取为水平面，Z轴取铅直方向，并且规定向上为正。取5103回风巷左下角点为坐标原点，水平向右为X轴正方向，沿巷道方向垂直向内为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，重力方向沿Z轴负方向，如图3。分别模拟5103回风巷、8103工作面顶回风巷掘进期间，以及相邻的8101工作面回采期间三种情况下巷道围岩受力变形特征。

图3 数值模型整体效果图

2.2 5103回风巷掘进期间巷道围岩受力变形特征

当5103回风巷掘进后，由于受到临近已掘进完成的2101巷影响，两条巷道垂直应力存在一定的叠加效应，而水平应力和位移场叠加效应不明显。巷道掘进后，水平应力集中区域分布于巷道的顶板和底板。通过对比分析可见，最大垂直应力峰值均为16 MPa左右，峰值位于巷道两帮处，煤帮垂直应力的峰值距离煤壁距离约为1.8 m，如图4所示。

图4 5103回风巷掘进期间围岩及煤柱垂直应力分布状态

2.3 8103顶回风巷掘进影响期间巷道围岩受力变形特征

5103回风巷在掘进完成之后，在巷道的工作面侧10 m布置顶回风巷，用于工作面瓦斯抽采。由于8103顶回风巷的掘进，巷道围岩应力与5103回风巷工作面侧巷道的垂直应力产生了叠加效应，导致垂直应力的峰值有所增加，从原有的16.1 MPa增大到17.0 MPa，且垂直应力的峰值区域从原有的巷道两帮向右上方移动。顶板最大的下沉量从56.6 mm增大为59.6 mm，巷道底鼓量基本保持不变，始终为88.2 mm不变，这说明8103顶回风巷掘进对5103回风巷造成一定影响，围岩应力和巷道变形量具有所增加，但是整体影响不是十分显著，如图5所示。

图5 8103顶回风巷掘进期间围岩垂直应力分布及5103巷位移

2.4 临近8101工作面回采阶段巷道围岩受力变形特征

当8101工作面回采之后，对8101工作面保护煤柱产生了很大的侧向支撑压力，导致煤柱上形成较大的垂直应力集中，煤柱应力状态分布呈现出在工作面侧出现峰值应力，8101工作面侧垂直应力峰值达到43.6 MPa，5103回风巷垂直应力的峰值为23 MPa。8101工作面回采对5103回风巷造成的动压影响十分明显，巷道顶板相对比较掘进阶段产生较大的变形，此时巷道顶板最大变形量从掘进期间的59.6 mm增大至166.9 mm，变形量相对比较回采之前增大了约2.8倍，如图6、图7、图8所示。

图6 8101工作面回采期间围岩垂直应力分布

图7 8101工作面回采期间煤柱垂直应力分布状态与5103巷道位移

8101工作面顺槽长度为1 850 m，而5103回风巷长度为2 500 m左右。针对5103回风巷位于8101工作面回采动压影响地段（0 m～1 900 m）范围内，以及5103回风巷不受8101工作面回采影响（1 900 m～2 500 m）范围内两种情况应进行差异化支护设计。

对于非动压影响段巷道（1 900 m～2 500 m），巷道变形较少，帮部只进行锚杆支护即可。对于动压影响段巷道（0 m～1 900 m），帮部还需锚索支护强化，强化帮部煤体承载能力，强化后的帮部锚固体支撑顶板和底板，减少顶板广义挠度和底板跨度，从而减少动压影响巷道的顶板下沉和底鼓。

3 结论

（1）地应力测试结果表明8103工作面应力场在量值上属于中等地应力场，水平主应力对巷道顶底板的影响作用大于对巷道两帮的影响，巷道开挖后，围岩初期变形速度快，变形量大，在施工的过程中应及时对围岩施加合理的预紧力，减少巷道的初期变形[5]。当5103回风巷掘进后，由于受到临近已掘进完成的2101巷影响，两条巷道垂直应力存在一定的叠加效应，而水平应力和位移场叠加效应不明显。

（2）8103顶回风巷掘进导致5103回风巷应力和变形均有所增加，但影响不明显。

（3）8101工作面回采导致煤柱垂直应力集中，侧向支承压力升高，工作面回采对巷道变形及应力影响较大。对于动压影响段巷道，巷道帮部需锚索支护强化，从而减少动压影响巷道的顶板下沉和底鼓。