魏家地煤矿采场底板损伤特性研究

苗在全 张建江

（甘肃靖远煤电股份有限公司魏家地煤矿）

魏家地煤矿北1103工作面针对瓦斯抽放效率低的问题，于工作面中部增设一条专用通防巷，使工作面形成“两进一回”的通风方式［1-5］。由于通防巷靠近工作面中部，这导致其围岩的应力环境及变形特征与采场两侧的顺槽有较大差别［6］，另一方面，通防巷的开挖会对工作面底板局部范围造成卸荷，导致采场底板的破坏特征有别于双巷布置的采场底板［7-8］。因此，有必要对通防巷围岩破坏特征以及增设通防巷前后采场底板的损伤特征进行对比分析。

本研究结合魏家地煤矿实际地质条件建立数值模型，从应力、变形以及塑性区分布特征等方面对增设通防巷前后底板的损伤变化情况进行对比分析。

1 工程概况

魏家地煤矿北1103综放工作面位于北一采区，煤层平均可采厚度约8.07 m，工作面可采走向长为948 m，工作面平均斜长为200 m。采用走向长壁后退式采煤法，沿煤层顶底板回采，一次采全高，全部垮落法管理顶板。

北1103工作面采用“两进一回”的通风方式，即沿煤层底板布置一条运输顺槽、一条通防巷和一条回风顺槽，巷道采用锚网索喷联合支护，其中通防巷距回风巷水平距离为77 m。

2 数值模型建立

根据魏家地实际地质情况，采用FLAC3D数值模拟软件建立地层模型，模型尺寸为300 m×200 m×124.7 m（长×宽×高）。计算时模型四周限制水平位移，底部限制Z方向位移，模型顶部按照600 m埋深施加荷载，侧面施加梯形荷载。采用弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb准则，模拟不同工作面推进距离条件下采场及巷道底板的应力和破坏特征。工作面沿y轴方向推进，模型如图1所示。

各岩层力学参数按照魏家地煤矿提供的设计说明书、地质资料及经验数据选取，围岩力学参数见表1。

3 计算结果分析

3.1 通防巷增设前后底板稳定特征对比分析

不同工作面推进步距下增设通防巷前后采场围岩的垂直应力、变形及破坏的对比情况如图2～图4所示。

从应力分布特征可知，在工作面位置处（工作面前方0 m）增设通防巷前后采场底板的应力分布特征差别不大；在工作面前方10 m处，增设通风巷后采场底板的应力集中程度变小，其中通防巷底板的局部范围处于卸压状态；在工作面前方20 m处，增设通风巷后采场底板的应力集中程度和范围进一步减小；在变形方面，在工作面前方0 m，增设通防巷对采场底板的变形特征无明显影响，随着距工作面距离的增加，增设通防巷仅对通防巷底板的局部范围内的变形量有影响；在塑性区分布方面，增设通防巷前后在距工作面不同距离处对采场底板的破坏特征和破坏范围无明显影响。综上所述，增设通防巷前后，仅对通防巷底板的局部范围内的稳定性有影响，而对整个采场底板的稳定性影响不大，但值得注意的是，通防巷底板围岩在应力集中、变形量和破坏范围等方面均强于回风巷和运输巷，且差别较大，因此，有必要对比研究通防巷与回风巷和运输巷的稳定性。

3.2 巷道底板应力分布对比分析

通防巷距离工作面中心位置更近，开采时该位置的采动影响较为剧烈，因此，通防巷的稳定性与回风巷和运输巷的区别较大。在不同工作面推进步距下，3条巷道在轴向上应力分布特征见图5～图7。

在不同推进步距下，回风巷和运输巷的底板应力分布特征较为一致，而通防巷无论在采空区位置处的卸压程度还是在巷道底板位置处的卸压程度，均大于通风巷和运输巷。这主要因为在工作面推进过程中，回风巷和运输巷主要受工作面侧向支承压力影响，而通防巷受工作面中部的超前支承压力影响较大，靠近工作面中部的支承压力大于侧向支承压力，导致通防巷对采动应力的敏感度更高。

为了更直观体现巷道底板应力分布规律，对不同推进步距下巷道底板应力分布进行了监测，沿巷道轴向底板应力监测结果如图8所示。当推进步距为20 m时，通防巷底板应力小于回风巷和运输巷，通防巷在靠近采空区侧实体煤内的支承压力高于回风巷和运输巷，而3条巷道在另一侧实体煤内的支承压力相差不大。随着推进步距增加，通防巷底板应力依然低于回风巷和运输巷的底板应力，并且回风巷和运输巷底板应力分布特征保持较高的同步性，运输巷和回风巷底板应力始终保持在5 MPa左右，通防巷底板应力保持在3 MPa左右。靠近采空区侧实体煤内的支承压力随推进步距的增加而增加，当推进步距接近60 m时，支撑压力值趋于稳定。3条巷道在靠近采空区侧实体煤内的支承压力大于另一侧实体煤，这主要因为靠近采空区的实体煤内存在较高的固定支承压力。

由上述分析，通防巷底板应力低于运输巷和回风巷，这说明开挖后通防巷底板的卸荷扰动程度更大，对采动影响的敏感度也更高。因此，有必要研究通防巷在距工作面不同距离处沿巷道断面方向的应力分布特征。通防巷距工作面不同距离处的应力分布特征如图9所示。

在工作面位置处，两侧巷帮内的应力关于巷道中心呈对称分布，应力值接近10 MPa，且巷道底板应力则呈非对称分布特征，其中靠近回风巷侧底板应力小于靠近运输巷侧底板应力，且应力值较小，介于0～5 MPa；在工作面前方10 m处，两侧巷帮的应力大幅增加，应力值接近30 MPa，且两侧巷帮的应力仍关于巷道中心呈对称分布，而巷道底板应力小幅增加，应力值介于2～10 MPa，巷道底板关于巷道中心呈对称分布；在工作面前方20 m处，两侧巷帮的应力小幅增加，应力值接近33 MPa，两侧巷帮的应力仍关于巷道中心呈对称分布，巷道底板应力变化不大；在工作面前方30 m处，两侧巷帮的应力有所减小，应力值减小至27 MPa左右，且侧巷帮的应力仍关于巷道中心呈对称分布，而巷道底板应力则变化不大。综上所述，工作面超前支撑压力在通防巷底板内传播的峰值点位于工作面前方20～30 m，因此，在实际生产过程中，该范围内的通防巷底板稳定性需着重注意。

3.3 底板位移分布对比分析

通防巷距工作面中心位置更近，开采时该位置的采动卸荷程度更高，故而通防巷底板的卸荷回弹变形量会更大。因此，有必要对比研究不同工作面推进步距下，3条巷道底板的变形特征。不同推进步距下，3条巷道轴向上的位移分布特征如图10～图12所示。

在不同推进步距下，回风巷和运输巷的底板变形分布特征基本一致，而通防巷在采空区位置处和巷道底板位置处的卸荷回弹变形量均大于通风巷和运输巷。这主要因为在工作面推进过程中，回风巷和运输巷主要受工作面侧向支承压力影响，而通防巷受工作面中部的超前支承压力影响较大，由于超前支承压力大于侧向支承压力，导致通防巷底板的卸荷扰动程度更高，底板的卸荷回弹变形量更大。

为了更直观体现巷道底板位移分布规律，对不同推进步距下巷道底板位移量进行了监测，沿巷道轴向底板位移监测结果如图13所示。当推进步距为20 m时，采空区内运输巷和回风巷所在位置的底板卸荷回弹变形量相差不大，而通防巷所在位置的底板回弹变形量大于回风巷和运输巷，这主要由通防巷所在位置的采动卸荷程度更高所导致。随着距采空区的距离增加，3条巷道底臌量逐渐减小并趋于稳定，通防巷底鼓量在靠近采空区的局部范围内大于回风巷和运输巷，说明通防巷底板变形量对采动影响的敏感度更高。随着推进步距增加，采空区底板的回弹变形量逐渐增加，3条巷道的底臌量变化不大，仅在靠近采空区局部范围内的底臌量有所增加。实体煤底板的位移量小于零，说明底板岩体处于压缩状态，且底板压缩变形量随推进步距的增加而逐渐增加并趋于稳定。靠近采空区侧实体煤底板的压缩变形量大于另一侧实体煤底板，这主要因为靠近采空区的实体煤内存在较高的固定支承压力。

由上述分析，通防巷靠近采空区侧的底臌量大于运输巷和回风巷，说明通防巷对采动卸荷的敏感度更高。通防巷距工作面不同距离处的位移分布特征如图14所示。

在工作面位置处（d=0 m），两侧巷帮内的位移量相差不大，关于巷道中心近似呈对称分布特征，而巷道底臌量则关于巷道中心呈非对称分布，其中靠近回风巷一侧的底臌量大于另一侧。随着距工作面距离的增加，巷道底板和两侧巷帮底板位移量呈减小趋势，当巷道断面距工作面的距离大于10 m时，巷道底板和巷帮底板的变形转为压缩状态，并且巷道底臌量仍呈非对称分布特征。

3.4 充分采动作用下底板卸压范围

充分采动后，采空区和采场底板达到相对稳定状态［9-10］，本节以采场围岩的垂直应力分布特征作为参考指标来分析布设通防巷前后采场底板各区域的卸压范围，计算结果如图15所示。

在无通防巷的情况下，工作面位置处底板的最大卸压深度为10 m，位于两侧回采巷道底板位置处（截面A-A）；在采空区中部沿工作面方向上，底板最大卸压深度为29 m，卸压范围为35 m，位于采空区两侧（截面B-B）；工作面后方底板最大卸压深度为21 m，卸压范围为21 m（截面C-C）。

增设通防巷后，工作面位置处底板的最大卸压深度为20 m，位于通防巷底板位置处（截面A-A）；在采空区中部沿工作面方向上，底板最大卸压深度为29 m，卸压范围为34 m，位于采空区两侧（截面B-B）；工作面后方底板最大卸压深度为21 m，卸压范围为21 m（截面C-C）。

由上述分析可见，采空区达到充分采动状态后，增设通防巷对采空区以及工作面附近底板的卸压深度和卸压范围的影响并不大，但通防巷底板卸压深度要大于运输巷和回风巷。

4 结 论

（1）基于魏家地煤矿的地层条件和开采条件建立了相关数值模型，分别计算分析了工作面在增设通防巷前后采场底板的应力、位移和塑性区分布特征。计算结果表明，增设通防巷后，仅对通防巷底板的局部范围内的稳定性有影响，而对整个采场底板的稳定性影响不大，但通防巷底板围岩在应力集中、变形量和破坏范围等方面均强于回风巷和运输巷，且差别较大。

（2）在不同推进步距下，回风巷和运输巷的底板应力和变形分布特征较为一致，而通防巷底板的卸压程度大于通风巷和运输巷，充分采动后，通防巷底板卸压深度约为20 m，通风巷和运输巷底板卸压深度约为10 m。

（3）工作面底板的最大卸压深度为20 m，位于通防巷底板附近；在采空区中部沿岩层倾向方向上，底板最大卸压深度为29 m，卸压范围为34 m，分布于采空区两侧；工作面后方底板最大卸压深度为21 m，卸压范围为21 m。

（4）通防巷两侧巷帮的位移量相差不大，并且关于巷道中心近似呈对称分布特征，而底臌量则关于巷道中心呈非对称分布，其中靠近回风巷一侧的底臌量大于另一侧，两侧相差约5 mm。