大倾角煤层多重扰动煤巷围岩应力分布规律

李 海，韩进忠，李殿春，张 彪

(1.冀中能源峰峰集团梧桐庄煤矿，河北 邯郸 056200；2.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；3.宁夏宝丰集团红四煤业有限公司，宁夏 银川 750001)

0 引 言

山西大远煤业有限公司主采2#煤层，煤层倾角46°左右，平均厚度为5 m，属于典型的大倾角中厚煤层条件，矿井设计生产能力为120万t/a。当前，山西大远煤业有限公司矿井12采区工作面为主采区，附近多为采空区，工作面平巷和开切眼受到邻近采空区固定支承压力的强烈影响，其围岩维护难度较大，始终处于重复扩修的困难局面。

为了解决类似条件巷道的围岩支护难题，部分学者针对大倾角煤层开采过程中的围岩稳定性规律开展了相关研究。华道友等[1]、黄建功等[2-4]、李维光等[5]、吴绍倩等[6]、伍永平等[7]研究了大倾角煤层开采时超前支承压力、覆岩运移和工作面支架载荷变化规律；伍永平等[8]、尹光志[9]、王明立等[10-11]研究了超前工作面煤体破裂和覆岩破断特征；在此基础上，伍永平等[12]、贠东风等[13]、田明富等[14]、柏建彪等[15]、黄庆享等[16]、苏学贵等[17]从锚网支护承载特征角度研究了大倾角煤层巷道的非对称变形特征和失稳原因。结果表明，巷道围岩非对称变形特征是煤层赋存特征和采动应力共同作用的结果。

上述成果为准确掌握大倾角煤层巷道围岩应力分布特征和稳定性规律提供了研究依据，但是已有研究结论多针对大倾角煤层工作面超前支承压力以及支护体本身特征展开研究，对区段巷道受采空区支承压力与超前支承压力叠加扰动作用下围岩稳定性研究较少。因此，为了有效弥补大倾角煤层巷道围岩稳定性研究中的欠缺之处，针对典型的大倾角煤层多重扰动煤巷——山西大远煤业有限公司1202工作面运输平巷，分析大倾角煤层赋存条件下的采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加影响下巷道应力分布规律，并基于应力分析结果，提出合理的区段煤柱宽度，为类似条件的大倾角煤层巷道的稳定性研究提供参考。

1 大倾角煤层多重扰动煤巷基本条件

1.1 1202工作面运输平巷概况

1202工作面走向长为800 m，倾斜长为85 m，埋深为125～212 m，平均煤厚6.5 m，可采储量约为75.9万t。1202工作面位于井田中部东侧，其东侧与2#煤层风氧化带相距100 m，井下南起于1202集中出煤下山，工作面西侧为1201工作面采空区。1202工作面运输平巷布置图如图1所示。

1202工作面运输平巷长度约为930 m，埋深215 m左右，巷道东侧为1202工作面，西侧为与1201工作面采空区相隔宽20 m的区段保护煤柱。运输平巷沿2#煤层顶板掘进，设计为圆弧拱形断面，掘进宽度4.4 m，掘进高度3.0 m。煤层顶底板岩性特征见表1，直接顶和基本顶分别为粉砂岩和中砂岩，直接底和基本底分别为泥岩和中砂岩。

图1 1202工作面运输平巷布置图Fig.1 Layout of transportation roadway in 1202 working face

表1 2#煤层顶底板岩性特征表Table 1 Characteristics of roof and bottom slate ofNo.2 coal seam

1.2 1202工作面运输平巷变形特征

1202工作面平巷在1201工作面采空区固定支承压力作用下，出现了顶板褶皱整体下沉、两帮非对称强烈内移等显著变形特征，尤其是巷道底板出现明显变形缝；其中，顶底板和两帮的相对变形量分别为800 mm和1 500 mm。

区段煤柱固定支承压力对巷道有强烈影响，围岩出现了失稳趋势，且顶部、帮部、底部等不同部位均具有显著的非对称变形特征，且1202工作面开始回采时，巷道将受超前支承压力的影响。因此，工作面回采时区段煤柱固定支承压力和超前支承压力叠加作用将对巷道产生强烈影响，在其服务期内势必重复扩修。

2 大倾角煤层煤柱侧向支承压力分布规律

利用FLAC3D数值软件对大倾角煤层赋存条件下区段煤柱侧向支承压力分布特征进行分析，揭示大倾角煤层采空区侧向支承压力对巷道围岩稳定性影响规律，分析大倾角煤层赋存特征以及采空区侧向支承压力和巷道开挖扰动叠加影响。

三维数值计算模型如图2所示，模型沿x方向长度为65 m，沿y方向为150 m，沿z方向高度为150 m，模型中煤层倾角为46°，岩性按照山西大远煤业有限公司2#煤层顶底板岩性设置。1202工作面运输平巷位于模型中间，上部为1202工作面，下部为1201工作面；其中，运输平巷与模型下部1201工作面采空区边缘水平距离20 m，即区段煤柱尺寸为20 m，同时，邻近工作面采用半无限开采方式建模，即邻近采空区位于模型左边界位置。1202工作面同样采用半无限开采方式建模，工作面倾向长度尺寸为40 m。 模型中网格应力和变形迭代采用莫尔库伦强度准则，即破坏面剪应力准则，模拟过程采用分步开挖，开挖步距为10 m。 此外，将模型x方向和y方向上4个边界设置为支承边界条件，同时在模型的底面施加z方向竖直位移约束，上边界施加3.5 MPa的均布载荷，模拟厚度为140 m的上覆岩层自重。

模型内部各岩层岩性及参数依据表1进行选取。同时，由于近煤层区域岩体节理裂隙发育，同时受水潮解和风化严重影响，煤层直接顶和直接底岩层物理力学参数进行小幅弱化。

图2 数值模型图Fig.2 Numerical model

2.1 大倾角煤层煤柱侧向支承压力分布规律

山西大远煤业有限公司1202工作面运输平巷与周围工作面位置如图3所示，1201工作面采空区围岩竖直应力分布规律如图4所示。

图3 1202工作面运输平巷与周围工作面位置关系图Fig.3 Location relationship between 1202 working faceand surrounding working face

图4 1201工作面采空区围岩竖向应力分布规律Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rockin 1201 working face

由图4可知，当区段煤柱宽度为20 m，巷道位置竖向应力出现急剧增加；当1202工作面运输平巷位置的煤岩体尚未受到邻近工作面采动及固定支承压力影响时，该位置煤岩体应力约为5.4 MPa；而该位置煤岩体经受相邻工作面采动及空区固定支承压力影响后，其竖向应力急剧增大8.5～9.0 MPa，应力增大近1.7倍。分析出现此类现象的原因可知，首先在大倾角煤层赋存条件下，靠近1201工作面和1202工作面的煤柱底板内出现了“三角形”分布的竖向应力集中现象，且该应力集中区域与采空区边缘(煤柱边缘)为近似水平关系，两者水平距离为13.2 m，集中应力峰值为12.8 MPa；此外，竖向应力集中峰值距离1202工作面运输平巷预开挖位置煤岩体垂直距离为16 m，该范围内的应力梯度相对较大，达到0.24 MPa/m。因此，竖向应力集中现象影响范围波及1202工作面运输平巷预开挖位置的煤岩体，同时在该范围岩体内的竖向应力呈现非对称分布特征。

为了进一步分析1201工作面开采对1202工作面运输平巷预开挖煤岩体的应力分布规律，提取该区域煤岩体内的剪应力分布状态，如图5所示。由图5可知，在煤层底板内出现剪应力集中现象，其峰值达到4.24 MPa，同时剪应力集中区与煤柱边缘近似水平，距离煤柱边缘(采空区边缘)12.9 m。 此外，在煤柱下部直接底与老底交界区域存在3.6 MPa的剪应力，且该区域剪应力沿交界面“带状”分布。对1202工作面运输平巷预开挖位置的煤岩体而言，该区域与煤层底板剪应力峰值垂距为23 m，且在剪应力集中效应影响下，运输平巷预开挖位置的煤岩体剪应力达到2.6 MPa左右。

图5 1201工作面采空区围岩剪应力分布规律Fig.5 Distribution law of shear stress of surrounding rockin 1201 working face

2.2 大倾角煤层巷道围岩应力分布规律

待1201工作面采空区侧向支承压力逐渐稳定后，在数值模型中分步开挖巷道，研究巷道围岩应力分布特征，1202工作面运输平巷在邻近采空区侧向支承压力影响下的围岩竖向应力分布云图如图6所示。

图6 大倾角煤层巷道围岩竖向应力分布特征Fig.6 Vertical stress distribution characteristics of roadway surrounding rock in large dipping seam

由图6可知，巷道顶板和底板岩层竖向应力明显减小，出现围岩应力降低区，并且顶底板应力降低区沿巷道中心非对称分布。分析竖向应力降低范围可知，顶板应力降低范围为3.8 m左右，底板应力降低范围为2.7 m。巷道两帮竖向应力分布规律与顶底板竖向应力分布特征具有明显差异，即巷道两帮出现竖向应力集中现象，其中，采空区侧帮部应力峰值为9.3 MPa，应力集中系数为1.72，峰值点距离巷道围岩表面2.1 m；1202工作面侧帮部应力峰值为10.6 MPa，应力集中系数为2，且出现在距离巷道表面4.1 m位置，同时该帮部集中应力区域与煤层底板侧向支承压力峰值影响范围贯通。根据上述竖向应力分布规律可知，在1201工作面采空区侧向支承压力强烈影响下，1202工作面运输平巷围岩内的竖向应力沿巷道中线呈现典型非对称分布规律。由此表明，在大倾角煤层赋存条件下，邻近工作面采空区侧向支承压力影响范围大于20 m，并且与两帮竖向应力集中区域贯通，其中与实体煤帮部应力集中区贯通范围更大，若采用原有煤柱宽度，必然会导致1202工作面运输平巷处于强烈的支承压力作用范围内，导致巷道围岩竖向应力分布出现显著的非对称特征，尤其是实体煤帮部集中应力峰值向巷道围岩表面偏移，促使运输平巷表面节理化岩体产生强烈变形。上述分析从应力分布角度，较好地解释了1202工作面运输平巷非对称变形特征。

3 大倾角煤层巷道多重支承压力叠加规律

3.1 超前支承压力分布规律

图7为1202工作面回采过程中沿工作面推进方向超前支承压力分布特征。图7(a)为工作面回采60 m后的支承压力分布剖面图，由图7(a)可知，在工作面周围岩体存在显著的应力降低范围，顶板上覆岩层应力降低范围最大达到30 m以上，底板岩层应力降低范围为35 mm以上，并且顶底岩层应力降低范围沿模型边界至工作面位置按照“1/2椭圆”分布。超前工作面推进方向50 m范围出现支承压力扰动现象；其中，在距离工作面7.1 m位置出现支承压力峰值，其应力达到7.8 MPa以上，应力集中系数为1.39，并且出现半弧形应力峰值等值线，该等值线位于顶板岩层破断极限位置；同时，工作面前方煤层顶板岩层集中应力扰动范围为18 m，底板岩层集中应力扰动范围略小，但仍达到15 m。

图7(b)在1202工作面超前支承压力峰值位置截取垂直工作面推进方向的剖面，由图7(b)可知，分析工作面推进距离为60 m且超前工作面7.1 m位置的运输平巷及工作面围岩应力分布规律。工作面顶底板围岩支承压力分布范围为椭圆形分布(长轴为90 m、短轴为38 m)，其中在工作面两平巷围岩内产生峰值为8.8 MPa的集中应力，应力集中系数为1.54左右；在工作面中间部位集中应力略小，其值为7.9 MPa。同时，超前工作面的支承压力分布区域主要集中在煤层赋存范围内，即沿煤层倾向出现显著应力集中现象。由运输平巷围岩内的竖向应力分布规律可知，在巷道顶底板内均出现应力降低现象；其中，顶板应力降低范围约为2.7 m、底板应力降低范围3.1 m，并且顶底板应力降低范围沿巷道中线为非对称特征。分析两帮竖向应力分布规律，在超前采动影响下左帮集中应力峰值与巷道表面距离约为2.5 m，为半球形分布特征，应力峰值达到8.7 MPa；右帮集中应力峰值距离巷道表面3.2 m，其峰值为8.74 MPa，并且左右两帮应力集中区域和量值亦沿巷道中线非对称分布。

图7 1202工作面超前支承压力分布规律Fig.7 Distribution of advance bearing pressure of 1202 working face

3.2 大倾角煤层多重支承压力叠加效应

在采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加效应下，工作面超前支承压力云图如图8所示。由图8(a)可知，1202工作面前方12.7 m位置出现显著应力集中现象，集中应力峰值达到14.9 MPa以上，其扰动范围达到100 m以上，并在顶板岩层极限破断位置出现集中应力峰值等值线；与无采空区侧向支承压力作用下的应力分布规律相比，工作面超前支承压力由7.9 MPa增加至14.9 MPa，且支承压力扰动范围由70 m发育至100 m以上，同时集中应力峰值距工作面距离由7.1 m增加至12.7 m，同时工作面顶板应力降低程度和范围显著增加，尤其是应力降低范围达到70 m以上，但底板岩层的应力降低程度和范围出现小幅度变化。由此表明，采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加作用后，超前支承压力峰值和应力扰动范围均显著增大，同时集中应力峰值强烈影响区域向工作面推进前方深部煤体转移。

由图8(b)可知，在侧向支承压力的附加影响下，煤层及其顶板岩层沿工作面倾向方向的应力出现非对称分布形态，在靠近1202工作面运输平巷侧出现强烈应力集中现象，即巷道采空区侧帮部竖向应力达到10 MPa以上，实体煤帮围岩竖向应力峰值达到16.2 MPa，并沿着工作面倾向出现集中应力跌落现象，其中，集中应力强烈影响范围达到59 m左右。与无采空区侧向支承压力作用下巷道围岩应力分布特征相比，可知工作面超前支承压力非对称分布的主要是受采空区侧向支承压力的影响，在此条件下，巷道围岩应力峰值由8.74 MPa急剧增加至16.20 MPa，应力集中系数增大至2.84以上。

图8 采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加效应Fig.8 Superposition effect of side bearing pressure and advance bearing pressure in goaf

通过上述分析可知，采动工作面超前支承压力受邻近采空区侧向支承压力影响，二者叠加作用下，大倾角煤层区段煤柱、运输平巷围岩和工作面超前区域煤岩体内应力状态均产生显著变化，其中，集中应力出现86 %以上的累计叠加效应，并且叠加应力强烈影响区域均向巷道或工作面煤体等临空区域偏移，形成典型多重扰动叠加应力环境，迫使临空区域围岩趋向失稳状态。

4 大倾角煤层区段煤柱宽度

为了优化山西大远煤业有限公司区段煤柱宽度，在大倾角煤层采空区侧向支承压力分布规律基础上，对比分析煤柱宽度分别为20 m、16 m、12 m、8 m、4 m条件下的1202工作面运输平巷预开挖煤岩体竖向应力分布规律(图9)，探讨大倾角煤层区段煤柱的合理取值范围，为该矿下一阶段开采设计提供依据。

图9 不同煤柱宽度条件下1202工作面运输平巷预开挖位置煤岩体竖向应力分布规律Fig.9 Vertical stress distribution of coal and rock massat pre-excavation position of transportation roadway in1202 working face under different coal pillar widths

由图9可知，1201工作面开采后，沿煤层赋存倾向方向，在1201工作面采空区边缘与1202工作面运输平巷预开挖位置煤岩体范围内(20 m)，竖向应力梯度为0.275 MPa/m，并在原始设计条件下，1202工作面运输平巷位置煤岩体竖向应力集中程度最大，竖向应力达到9 MPa以上。随着采空区边缘与1202工作面运输平巷预开挖位置煤岩体距离不断减小，即煤柱宽度分别设置为16 m、12 m、8 m和4 m时，煤岩体内竖向应力沿1202工作面运输平巷中线由非对称特性转变为对称特性，且量级由9 MPa减小至6 MPa以下。此外，分析采空区围岩竖直集中应力分布范围和影响程度，当煤柱宽度为4～8 m时，1202工作面运输平巷预开挖位置煤岩体受到的竖直集中应力影响程度较小；当煤柱宽度为8～12 m时，巷道预开挖位置岩体受到中等程度的集中应力影响。因此，建议山西大远煤业有限公司大倾角煤层赋存条件下的区段煤柱宽度选取4～8 m，如果综合考虑大倾角条件下煤柱与顶板和底板岩层的滑移破坏，建议区段煤柱宽度设计为6～12 m。

5 结 论

1) 在区段煤柱支承压力强烈影响下，巷道围岩竖向应力为非对称分布特征，帮部应力集中区与煤层底板侧向支承压力峰值影响范围贯通。同时，在大倾角煤层赋存条件下，邻近工作面采空区侧向支承压力影响范围大于20 m，并且与两帮竖向应力集中区域贯通。

2) 采动工作面超前支承压力叠加邻近采空区侧向支承压力后，超前支承压力峰值和应力扰动范围均迅速增大，致使大倾角煤层区段煤柱、运输平巷围岩和工作面超前区域煤岩体内应力状态均产生显著变化，即侧向支承压力成为导致工作面超前支承压力非对称分布的主要因素，并产生强烈应力累计叠加效应，形成典型多重扰动叠加应力环境。

3) 模拟留设不同宽度区段煤柱，对比分析巷道开挖后围岩竖向应力分布特征，从减小巷道围岩应力非对称程度出发，建议山西大远煤业有限公司大倾角煤层赋存条件下的区段煤柱宽度选取4～8 m，如果综合考虑大倾角条件下煤柱与顶板和底板岩层的滑移破坏，建议区段煤柱宽度设计为6～12 m。