深井综放工作面巷道围岩变形破坏规律

2021-09-23黄义亮

陕西煤炭 2021年5期

黄义亮，和宁

(1.陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600；2.陕西能源投资股份有限公司煤业分公司，陕西西安 710075)

0 引言

近年来，随着我国经济的发展对煤炭需求量的增加，煤炭资源开采强度逐渐加大。由于浅部煤炭资源的枯竭，煤炭开始由浅部开采逐渐变为深部开采，开始进入深部开采阶段[1-4]。在深部开采条件下，工作面回采巷道不仅面临着高地应力影响，同时受到巷道掘进、工作面回采等多重强扰动应力作用，巷道围岩极易出现持续性大变形等非稳态破坏特征，进而引发一系列动力灾害。为解决深部开采条件下巷道围岩稳定性控制的难题，国内外学者围绕深部回采巷道围岩变形破坏规律开展了大量的研究工作[5-9]。

其中，王卫军等[10]应用理论分析、数值计算和现场试验相结合的方法，系统研究了采动影响下底板动态变形破坏特征及应力分布规律，认为超前支承压力在底板中的传递对围岩应力分布的显著影响是底板巷道破坏的根本原因；张玉鹏等[11]采用理论分析、数值模拟和相似模拟相结合的研究方法，综合确定了大采高综采条件下深部特厚煤层的巷道围岩破坏深度；顾士坦等[12-15]采用理论分析方法研究了深部巷道围岩变形的影响因素，并通过数值模拟探讨了不同生产地质条件下巷道围岩塑性破坏分布规律，结合灰色度分析方法确定影响巷道围岩变形破坏程度的3个主要因素分别为开采深度、坚硬顶板厚度、煤层厚度。

目前针对深部开采回采巷道围岩变形规律研究较少，且相关研究往往不具备较强的工程实践指导意义。因此，以陕西彬长胡家河煤矿402102工作面运输巷为研究对象，采用理论分析、FLAC3D数值模拟及现场实测相结合的研究方法，分析深部综放工作面回采巷道围岩变形破坏规律。

1 巷道变形影响因素

1.1 工程背景

胡家河煤矿位于陕西省咸阳市西北部，彬长矿区中北部，矿井主采4号煤层，煤层厚度为0.8～26.2 m，平均厚度23 m，煤层平均倾角小于5°，平均埋深680 m，采用分层放顶煤开采方法。以4号煤层402102工作面运输巷为研究对象，402102工作面共设计3条巷道，分别为运输巷、回风巷和泄水巷，巷道布置如图1所示。402102工作面采用走向长壁分层综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板，回采煤层厚度14.0 m，其中割煤设计高度3.5 m，放顶煤高度10 m，设计采放比为1∶3。

图1 402102工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 402102 working face

1.2 巷道变形破坏影响因素分析

1.2.1 影响因素

通过现场工程地质调查，结合理论分析，进而明确深部回采巷道变形破坏主要影响因素包括应力环境和开采方式。

应力环境：胡家河煤矿工作面的开采深度达680 m，是目前彬长矿区开采深度最大的矿井。地应力较高，造成巷道周边处于复杂的深部应力环境中；并且随着开采深度的增加，构造应力显著增加。构造应力具有明显的方向性，主要体现在水平应力方面，而国内外的研究表明，水平应力是巷道顶底板变形破坏的主要因素。

开采方式：胡家河煤矿采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采方法，放煤设计高度10 m，设计采放比为1∶3，由于一次性的最大采出厚度达到13.5 m，工作面上岩层活动范围及对回采巷道的影响范围必然扩大。

1.2.2 破坏特征

基于现场观测调研结果，确定402102工作面回采巷道表现出以下的变形破坏特征。即随着工作面回采，回采巷道会出现强烈的动力显现现象，“煤炮”频繁发生，局部巷道漏顶严重，巷道出现底鼓，甚至导致皮带移架、掘进机位移等现象，回采巷道围岩变形破坏较为严重，给矿井安全生产带来了一定的不利影响。因此，开展深部开采巷道围岩变形破坏规律研究，对于回采巷道围岩的灾害防治具有积极的意义。

2 巷道围岩变形破坏规律分析

为进一步明确受采动影响深部开采巷道围岩变形破坏规律，以402102工作面运输巷为工程背景，采用FLAC3D数值模拟方法建立数值计算模型，模拟分析工作面回采期间距离工作面不同距离的巷道围岩塑性区变化规律，探究工作面回采期间巷道围岩变形破坏特征。

2.1 模型的建立

建立如图2所示FLAC3D数值模型，模拟模型尺寸为610 m×1 500 m×130 m。为提高计算精度，在402102工作面运输巷附近对网格进行加密，X方向上每格代表1 m，Y方向上每格代表5 m。同时在模型的四周各边界上施加水平约束，设置顶部为自由边界，限制底部边界位移。在模型顶部施加15 MPa的垂直载荷以模拟上覆岩层的自重，侧压系数取1.2，采用Mohr-Coulomb强度准则进行数值模拟分析。

图2 FLAC3D数值模拟模型Fig.2 Model of FLAC3D numerical simulation

2.2 巷道围岩塑性变形破坏规律

为了研究采动影响下402102工作面运输巷围岩变形破坏规律，对工作面回采期间距工作面不同距离的巷道围岩塑性区变化进行了模拟，同时分析其破坏变化规律，结果如图3所示。

图3 回采期间巷道围岩塑性区分布状态Fig.3 Distribution of plastic zone of roadway surrounding rock during mining

由图3可知，在402102工作面回采过程中，工作面前方巷道围岩塑性区范围随着距工作面距离的减小而逐渐变大，且巷道围岩破坏形式由剪切破坏逐渐变为拉伸破坏；在距工作面前方10 m范围内时，巷道位于应力集中区，巷道围岩破坏情况愈加严重。为更直观地表示出工作面回采期间巷道围岩塑性区分布的变化规律，统计分析图3中塑性区破坏范围进而得到距工作面不同距离的巷道围岩塑性区变化，如图4所示。

由图4可知，巷道顶板和两帮塑性区分布范围均随距工作面距离的增大而减小，距离工作面越近，则塑性区范围越大，顶板塑性区最大范围达2.5 m，底板塑性区为1.5 m，两帮塑性区为2 m。

总体而言，巷道围岩塑性破坏主要发生在距离工作面前方10 m范围内，此时巷道围岩发生较大范围的变形破坏，围岩变形破坏特征明显，且采动影响下巷道顶底板围岩塑性区破坏程度大于两帮，煤柱侧围岩塑性破坏大于煤壁侧围岩。

图4 距工作面不同距离的巷道围岩塑性区变化Fig.4 Changes of plastic zone of roadway surrounding rock at different distances from working face

3 回采巷道围岩变形现场实测

3.1 观测方案

由上述分析可知，随着工作面逐渐向前回采，巷道围岩逐渐发生变形破坏，距离工作面越近则围岩变形破坏程度更加明显。从科学角度来讲，单独采用数值模拟方法具有片面性，不能很好地解释深部巷道围岩发生大变形破坏的原因，因此需要结合现场实践进行围岩变形破坏情况观测，综合研究工作面回采影响下巷道围岩变形破坏规律。基于402102工作面回采巷道生产地质条件，在402102工作面运输巷顶板及两帮分别布置深基点位移计对巷道围岩变形情况进行观测，观测方案布置如图5所示。

图5 巷道围岩变形现场监测方案Fig.5 On-site monitoring scheme of roadway surrounding rock deformation

3.2 巷道顶板围岩变形规律分析

由图6可知，运输巷顶板围岩位移整体上呈现递增趋势，距离煤壁越近，巷道顶板围岩位移量越大。在距离工作面120 m范围内，巷道围岩受到回采扰动影响明显，距离巷道侧围岩8 m和4 m范围内围岩位移量逐渐增大；在距离工作面10～20 m范围内时，巷道围岩位移变形达到最大值，最大离层量约10 mm。

图6 运输巷顶板围岩位移变化曲线Fig.6 Displacement curve of surrounding rock of roof of transportation roadway

3.3 巷道两帮围岩变形规律分析

由图7可知，运输巷两帮围岩位移整体上呈现递增趋势，距离煤壁越近，巷道煤柱侧围岩位移量越大。在距离工作面前方60 m范围内，受采动影响下距离巷道煤柱侧围岩位移量逐渐增大，最大离层量达13 mm，在距离工作面100 m范围外，围岩位移变化程度很小。而对于煤壁侧围岩来说，在距离工作面100 m范围内，煤壁侧围岩位移开始呈现递增趋势，在工作面前方趋于稳定，围岩位移量较小，最大离层量达4 mm。

图7 运输巷两帮围岩位移变化曲线Fig.7 Displacement curve of surrounding rock of two sides of transport roadway

综上，在工作面回采期间沿402102工作面走向方向可将运输巷围岩变形划分为3个阶段。在距离工作面100～120 m范围外，围岩位移变化相对很小，围岩基本不受工作面超前采动影响；在距离工作面60～100 m范围内时，巷道围岩位移变化出现较大幅度波动，开始受工作面超前采动影响，且巷道顶板围岩受采动影响大于两帮围岩，煤柱侧采动影响范围大于煤壁侧围岩；在距离工作面10～20 m范围内时，巷道围岩位移变形达到最大值，巷道围岩变形破坏明显。