深埋回采巷道围岩塑性区演化规律研究

师萌强

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限公司，山西 运城 044000）

0 引言

随着矿井采掘深度和开采强度的不断增加，由复杂应力造成的巷道围岩破坏愈加严重，由此造成的巷道大变形、冒顶、冲击破坏等灾害事故频发，严重威胁着矿井的安全高效生产。大量现场实践和理论研究均表明，巷道围岩变形破坏的实质是巷道围岩塑性区的形成和扩展，巷道围岩的破坏模式和程度取决于塑性区的形态特征和尺寸大小[1]。掌握厚煤层回采巷道塑性区形态特征及演化规律，可以为煤岩动力灾害预防和巷道支护提供支持。本文以薛虎沟矿2-111 工作面运输巷为工程背景，研究厚煤层回采巷道塑性区的形态特征及演化规律，从而为巷道围岩的控制提供一定的参考。

1 矿井概况

薛虎沟矿位于山西省河津市下化乡陈家岭村北，年产煤量90 万t，主要开采煤层为2 号煤层和10 号煤层。2-111 工作面主要开采2 号煤层，煤层平均厚度为3.9 m，平均倾角为7.5°。煤层上覆岩层为厚度几十米至数百米的砾岩，成分以石英岩、石英砂岩为主。煤层上方岩层依次为泥岩、砾岩、粉砂岩、细砂岩互层以及砾岩。薛虎沟矿2-111 工作面运输巷发生冲击破坏事故的次数最多。该工作面平均埋深为586 m，倾向长度和走向长度分别为120 m 和1 500 m，直接底为泥岩，厚度为6.2 m，基本底为细砂岩。2-111 工作面运输巷在实际掘进时留有厚度约为2 m 的底煤，该运输巷为半圆拱形巷道，断面尺寸宽×高为6 317 mm×3 800 mm，采用锚网索喷+36U 型钢马蹄形全封闭可缩性支架支护，采用放顶煤采煤法、自然垮落法管理顶板。

2 巷道围岩塑性区形成力学机制

煤层开采会引起顶板垮落并造成围岩应力的重新分布，从而导致回采巷道围岩区域应力环境产生变化，使得巷道围岩最大主应力方向发生偏转，有时最大主应力方向与竖直方向会产生夹角，而位于采空区周边的回采巷道在上覆岩层传递的倾斜方向作用力影响下，回采巷道围岩出现非均匀破坏，受采掘扰动影响，会形成新的应力叠加[2]。

3 回采巷道塑性区演化规律

3.1 模型的建立

结合薛虎沟矿2-111 工作面煤层顶底板条件，建立大尺寸数值计算模型（见图1），长×宽×高为1 000 m×1 550 m×950 m。模型中煤层倾角为12°，沿X 轴和Y 轴正方向分别为工作面的倾向和推进方向，Z 轴正方向为工作面竖直方向。根据地应力测量结果，薛虎沟矿最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力分别为19.5 MPa、10.0 MPa、17.9 MPa。模型边界条件为：四周均固定水平方向位移，底面固定垂直和水平方向位移，上部为自由面，模型仅受重力作用。数值计算基于mohr-Coulomb 破坏准则。现场调研发现，在工作面推进至400 m 时，巷道冲击破坏事故较为严重，因此，在进行数值计算时，设定2-111 工作面开挖长度为400 m。

图1 数值计算模型

由于煤层顶板广泛分布着砾岩，该岩层厚度大、完整性好且抗变形能力强，煤层开采后顶板不易垮落，造成大面积悬顶。这不仅造成采空区周边煤体出现应力集中，而且还使得采空区顶板容易积聚弹性能。

3.2 厚煤层采动应力场特征

随着煤层的采出，煤壁出现应力集中现象。相较于分层开采，厚煤层采用放顶煤开采的方式，对采场围岩的扰动影响范围更大，超前支承压力峰值位置前移，且应力集中系数达2.5。

实践表明，采动应力集中是巷道大变形、冲击破坏、煤与瓦斯突出等灾害的主要诱发因素之一，并且塑性区形态与巷道所处的应力环境密切相关，因此为获得厚煤层回采巷道塑性区演化规律，有必要掌握厚煤层开采引起的采动应力场特征。2-111 工作面经开挖后，沿运输巷轴向提取工作面前方100 m 范围内的最大主应力、最小主应力以及最大主应力与X 轴的夹角，如图2 所示。

图2 工作面前方主应力、最大主应力与X 轴夹角

由图2 可知，工作面前方最大主应力和最小主应力的变化趋势差异较大。随着距工作面距离的增加，最大主应力呈现先急剧增大后逐渐减小的趋势，并且最大主应力曲线斜率越来越小，最大主应力在距离工作面15 m 处达到峰值，为38.03 MPa，而该位置的最小主应力为14.87 MPa，最大主应力是其2.56 倍。由于煤层顶板厚度大且抗变形能力强，采空区顶板悬而不沉，造成工作面前方最大主应力明显大于原岩应力。同时，随着到工作面距离的增大，最大主应力增速也逐渐放缓。

3.3 厚煤层回采巷道塑性区演化规律

根据薛虎沟矿2-111 工作面运输巷工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立拱形巷道塑性区数值计算模型，尺寸为80 m×80 m×1 m，拱形巷道数值计算模型如图3 所示。模型四周均为固定边界，竖直方向和水平方向分别施加边界载荷P1、P3，P1和P3可根据图2 确定，模型中煤层倾角为12°。

图3 拱形巷道数值计算模型

根据工作面前方主应力场分布规律，当2-111 工作面推进距离分别为400 m、425 m、450 m 时，分别计算同一位置的塑性区特征，据此可以得出回采巷道围岩塑性区的演化规律。随着工作面的推进，处于同一位置的巷道围岩塑性区形态特征不断发生变化，其两肩角持续向深部扩展，塑性区由不规则形态逐渐演化为蝶形。

当工作面推进至400 m 时，距离工作面100 m 处的巷道塑性区呈对称分布且形态不规则。随着工作面的继续推进，即与工作面的距离不断减小，巷道两肩角的塑性区开始向围岩深部扩展，而顶板和底板塑性区深度变化却不明显，该位置的塑性区形态逐步演化为蝶形。

当工作面推进至400 m 时，距离工作面80 m 处的巷道塑性区的形态和距离工作面100 m 处一样，也呈对称分布且不规则。当工作面推进至425 m，即该位置到工作面的距离为30 m 时，巷道两肩角处的塑性区深度明显增大，而顶底板塑性区范围变化较小，塑性区形态呈蝶形。

当工作面推进至450 m，即该位置距离工作面15 m时，塑性区蝶叶尺寸进一步增大，并且发生了偏转。

4 结论

1）塑性区形态特征与双向载荷比值有关。当围岩的力学性质相同时，巷道围岩塑性区的形态特征与应力条件密切相关。当双向载荷比值不大时，塑性区形态呈圆形或椭圆形，双向载荷比值达到某一值时，塑性区形态呈蝶形。

2）在采动应力的影响下，回采巷道区域主应力场的大小和方向将发生改变。最大主应力沿回采巷道轴向呈先急剧增大后逐渐减小的趋势，并且在距离工作面15 m 处达到峰值。随着距工作面距离的增大，最小主应力在距离工作面约25 m 处时达到最大后缓慢减小。

3）工作面前方回采巷道塑性区的形态特征与区域主应力场的大小和方向密切相关。随着工作面的不断推进，距工作面距离的逐步缩小，厚煤层回采巷道塑性区形态由不规则逐渐演化成蝶形，并且塑性区蝶叶位置会随着最大主应力方向的变化而发生偏转。