采空区巷道围岩应力分布及稳定性分析

吴建兰

（大同煤矿集团有限公司煤峪口矿地测科，山西 大同037041）

1 工程概况

在多煤层开采过程中，由于煤层间的距离较近，使得上煤层的开采对下煤层巷道围岩造成很大的应力，进而出现应力集中。巷道围岩应力升高，增加了巷道支护的困难，易出现巷道围岩不稳定、支护破坏的现象[1-2]。煤峪口矿14#煤层位于12#煤层采空区的下方，两煤层平均间距为6.83 m。12#煤层的平均煤层厚度为2.47 m，埋深为230 m，直接顶是灰色泥岩，平均厚度1.2 m，老顶是砂岩，平均厚度1.47 m；14#煤层的平均煤层厚度为2.0 m，埋深237.5 m，直接顶是砂质泥岩，平均厚度1.57 m，底板是泥岩，平均厚度1.4 m。14#煤层巷道中心距离12#煤层的采空区约5.4 m，采用长壁开采法进行开采，采用垮落法进行顶板管理。

2 数值模型的建立

对12#煤层采空区建立UDEC 模型，模型的尺寸为160 m×62.5 m，模型左边界40 m 处是煤层开采边界，模拟的可开采工作面长度为80 m，煤层埋深为230 m，采用摩尔库伦屈服准则[3]，建立左右边界是单约束，底部边界是全约束的数值模型，在顶部均匀地施加5 MPa 载荷，模拟过程包括初始应力的生成—计算12#煤层回采平衡—将数据导入到FLAC3D—初始应力的生成—计算14#煤层支护平衡，根据岩体物理力学实验[4]，计算整个模拟过程中的岩层物理力学参数见表1。

表1 岩层物理力学参数

3 巷道围岩应力分布

在12#煤层开采完后，得到14#煤层的应力分布规律见图1，从图中可以看出，不同位置的应力分布是不同的，具体为：

图1 14#煤层应力分布规律

1）在与12#煤层采空区正下方的距离较远时，可以看出，14#煤层的垂直应力Szz 曲线呈先升高后下降的趋势，在距离采空区8 m 时，垂直应力达到最大值，约10.1 MPa，而水平应力Sxx 的变化幅度较小，约下降1.9 MPa，剪切应力Sxz 在处于采空区正下方时达到最大值，约0.78 MPa。

2）垂直应力、水平应力、剪切应力在距离采空区正下方10 m 的范围内变化较大，在距离采空区正下方20 m 以上的基本不受影响，可见，12#煤层采空区对14#煤层的影响范围比较剧烈的是在10 m范围内。

3）14#煤层巷道中心在距离采空区正下方5.4 m时，巷道的垂直应力较高，影响剧烈，是巷道难支护区域。

4 巷道稳定性分析

4.1 巷道围岩应力分布

根据图2中巷道腰线处垂直应力的分布图可以看出，矩形巷道由于垂直应力的分布，在矩形巷道两边的垂直应力急剧变化，在对巷道进行半圆拱形优化后，巷道两边的应力相对过渡比较平稳，最大垂直应力达到12.8 MPa；而水平应力相对垂直应力的分布要复杂一点，在对巷道支护优化后，巷道可以支撑的最大应力达到10.3 MPa。

图2 巷道垂直应力曲线

矩形巷道周围的剪切应力会急剧变化，出现剪切应力集中的现象，在对巷道进行半圆拱形优化支护后，根据巷道围岩剪切应力的分布云图3可以看出，剪切应力最大为3.76 MPa，应力集中程度远小于没有经过优化的状况，而且应力的分布离巷道表面更远。

图3 巷道围岩剪切应力分布云图

4.2 巷道围岩塑性区分布

根据巷道围岩的塑性分布规律，见图4，由于上覆煤层存在采空区，巷道围岩周围出现不对称的塑性区，在受剪切应力破坏的区域整体呈椭圆形分布，在巷道围岩的表面出现小范围的拉伸破坏。通过对其进行半圆拱形支护后，可以看出巷道围岩的塑性区影响范围明显变小。

图4 巷道围岩塑性分布

4.3 巷道围岩位移变化

在对巷道底板位移监测的过程中，得到以下数据，巷道顶板有16.2 mm 的下沉量，16.1 mm的底鼓量，顶底板32.3 mm 的移近量。而对巷道两帮位移监测的数据中显示，左帮31.6 mm 的移近量，右帮32.6 mm 的移近量，共64.2 mm 的移近量。由此认为在巷道两侧受垂直应力的过程中，位移会相对较大，需要优化并加强支护，减小垂直应力影响以保证巷道能够稳定。

5 应用效果

根据对巷道围岩应力分布情况以及稳定性的研究，在使用半圆拱形和强帮支护后，在采动影响下，巷道掘进初期，巷道表面的位移量在滞后测点30 m 时变化较大，在接近测点时，巷道顶板的位移量为9 mm，收敛速率和顶板移近速率分别为1.8 mm/d、1.64 mm/d；巷道继续向前掘进时，在超前测点60 m 时，巷道表面位移量增大，但整体变化不大，趋向稳定，巷道顶板的位移量为25 mm，收敛量和两帮移近量分别为15.5 mm、31.0 mm。这说明，没有使用强帮支护的巷道顶板出现持续下沉、喷层、钢筋梯子梁压弯等现象；使用半圆拱形和强帮支护后，巷道顶底板和两帮的位移量变化都较小，巷道围岩表面位移收敛，没有出现变形，在后续的开采过程中逐渐达到稳定状态。

6 结论

根据煤峪口矿煤层的实际情况，建立UDEC数值模型，分析12#煤层采空区对14#煤层巷道围岩的影响，得到巷道围岩的应力分布规律，在FLAC3D中分析巷道围岩的应力分布、塑性区分布以及位移的变化，结果如下：

1）数值模拟结果表明：12#煤层采空区对14#煤层的影响剧烈的范围为10 m，最大垂直应力达到12.8 MPa，剪切应力最大达到3.76 MPa。

2）使用半圆拱形支护后，巷道顶板有16.2 mm的下沉量，16.1 mm 的底鼓量，顶底板32.3 mm 的移近量，左帮31.6 mm 的移近量，右帮32.6 mm 的移近量，共64.2 mm 的移近量，基本实现了对巷道的稳定性控制。

3）通过现场的监测表明：进行巷道强帮支护后，上层12#煤层开采对下层14#煤层巷道的影响在巷道前30 d 距测点30 m 范围内，位移量变化相对较大，收敛速率和顶板移近速率分别为1.8 mm/d、1.64 mm/d；在巷道掘进30～60 d 超前测点60 m时，位移量逐步稳定，收敛量和两帮移近量分别为15.5 mm、31.0 mm，巷道围岩表面没有出现变形，在后续开采过程中逐渐达到稳定状态。