淺析采動(dòng)影響下巷道群圍巖應(yīng)力分布特征

李嘯林,郝長(zhǎng)勝

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014000;2.神華集團(tuán) 包頭礦業(yè)公司,內(nèi)蒙古 包頭 014000)

采動(dòng)影響下,巷道周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯變化,并呈現(xiàn)出顯著的不均勻應(yīng)力分布狀態(tài),這就造成巷道發(fā)生局部破壞嚴(yán)重和不均勻巷道圍巖變形,巷道斷面變形嚴(yán)重且有發(fā)生頂板冒落和片幫的嚴(yán)重安全隱患[1-2]。為維護(hù)采動(dòng)影響下回采巷道的圍巖穩(wěn)定,就有必要分析采動(dòng)影響下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律,結(jié)合實(shí)際工程特征來估算采動(dòng)影響條件下的圍巖應(yīng)力不均勻分布力學(xué)模型,進(jìn)而計(jì)算支護(hù)阻力,為后續(xù)的巷道群圍巖控制和支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

1 采動(dòng)影響條件下的圍巖應(yīng)力重分布規(guī)律

隨著工作面的回采,在工作面的后方將形成采空區(qū),此時(shí)其上覆巖層的應(yīng)力載荷逐漸轉(zhuǎn)移至工作面周圍煤巖體,在采場(chǎng)圍巖體中形成采場(chǎng)應(yīng)力支撐壓力區(qū),按位置可分為工作面超前支承壓力、側(cè)向煤巖體支承壓力和采空區(qū)支承壓力,如圖1所示。

圖1 沿工作面推進(jìn)方向的采場(chǎng)應(yīng)力分布示意圖Fig.1 Stress distribution in the advancing direction of the working face

采動(dòng)影響導(dǎo)致工作面應(yīng)力重分布,采場(chǎng)上覆巖層應(yīng)力載荷基本上作用于工作面前方煤巖體、側(cè)向煤巖體以及采空區(qū)位置,而回采巷道多數(shù)都布置于工作面前方煤巖體和側(cè)向煤巖體中,在這些區(qū)域都形成有較大范圍的應(yīng)力集中[3-4]。本文設(shè)應(yīng)力集中系數(shù)用K來表示,一般情況下,應(yīng)力集中系數(shù)為K=2～3。為了研究工作面回采至停采線附近時(shí)車場(chǎng)巷道群的圍巖應(yīng)力分析,從沿工作面推進(jìn)方向?qū)γ簬r體超前支承壓力分布規(guī)律展開分析研究,為后續(xù)的復(fù)雜圍巖應(yīng)力環(huán)境分析和巷道支護(hù)提供指導(dǎo)。

沿回采工作面推進(jìn)方向,工作面煤巖體的超前支承壓力分布狀態(tài)可分為工作面圍巖應(yīng)力降低區(qū)、工作面圍巖應(yīng)力增高區(qū)及采場(chǎng)圍巖應(yīng)力不變區(qū)三個(gè)區(qū)域[5-6],如圖2所示。

在圖2中:d1為采空區(qū)圍巖殘余應(yīng)力恢復(fù)至原巖應(yīng)力狀態(tài)的距離;d2為工作面縱向長(zhǎng)度;d3為工作面至前方圍巖應(yīng)力峰值的距離;d4為工作面前方圍巖應(yīng)力峰值至采場(chǎng)原巖應(yīng)力狀態(tài)的距離。

為便于計(jì)算分析,降低理論推導(dǎo)的繁瑣,將工作面支承壓力分布簡(jiǎn)化為線性載荷分布形式,并暫時(shí)減去原巖應(yīng)力σ0,以將工作面支承壓力σy對(duì)工作面前方煤巖體及其采場(chǎng)底板的應(yīng)力分布影響以增量的形式Δσy表示:

Δσy=σy-σ0.

(1)

將工作面前方煤巖體視為一個(gè)半無限均質(zhì)彈性介質(zhì),建立應(yīng)力增量計(jì)算模型,以工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向,原點(diǎn)O位于工作面前方煤壁,根據(jù)式(1),通過對(duì)工作面前方煤巖體及其采場(chǎng)底板的應(yīng)力分布規(guī)律簡(jiǎn)化,得工作面前方煤巖體及其采場(chǎng)底板的應(yīng)力增量的分布規(guī)律,此時(shí)工作面前方圍巖應(yīng)力增高峰值的集中系數(shù)為(K-1),具體見圖3。

圖2 工作面推進(jìn)方向支承壓力分布圖Fig.2 Abutment pressure distribution in the advancing direction of the working face

圖3 工作面推進(jìn)方向應(yīng)力增量分布Fig.3 Stress increment distribution in the advancing direction of the working face

根據(jù)圖3中的坐標(biāo)系,建立工作面前方圍巖垂直應(yīng)力的表達(dá)式:

(2)

根據(jù)力的平衡原理,若要平衡,應(yīng)力增量必須滿足下式:

(3)

根據(jù)彈性力學(xué)理論[7],半平面體在受有鉛錘分布力時(shí),為了求出半平面體內(nèi)任意一點(diǎn)處的應(yīng)力,可以在距離坐標(biāo)原點(diǎn)O處取微小長(zhǎng)度dε,將其受力進(jìn)行微分計(jì)算,即為dF走向(ε)=P走向(ε)dε，進(jìn)而得到在沿工作面回采的走向方向上:

(4)

(5)

式中:m,n為對(duì)應(yīng)d1,d2,d3,d4各個(gè)階段的P走向(ε)的應(yīng)力系數(shù)。

將工作面推進(jìn)方向底板應(yīng)力分布劃分為AB、BC、CD、DE四個(gè)應(yīng)力分區(qū),分別對(duì)式(4)、式(5)進(jìn)行積分求解,即可得到完整的應(yīng)力分布方程,同時(shí)運(yùn)用Excel或者M(jìn)atlab軟件成圖分析應(yīng)力分布規(guī)律。

2 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力環(huán)境力學(xué)估算

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件概況

以晶鑫煤礦二采區(qū)車場(chǎng)作為研究對(duì)象,井田面積5.132 5 km2,開采深度+670 m～470 m標(biāo)高,主采3#煤層,工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板,采區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)工作面開采強(qiáng)度較大。

二采區(qū)3#煤層厚度5.55 m～6.55 m,平均厚6.02 m,煤層傾角1°～3°。該煤層常有薄層炭質(zhì)泥巖偽頂,偽頂平均厚0.59 m;直接頂板多為灰黑色粉砂巖或細(xì)砂巖,平均厚度8.02 m;基本頂為(粗)砂巖,平均厚27.81 m;直接底為泥巖,平均厚2.36 m。二采區(qū)車場(chǎng)布置如圖4所示。

圖4 二采區(qū)車場(chǎng)平面布置圖Fig.4 Layout of the pit bottom in No.2 mining area

2.2 圍巖應(yīng)力環(huán)境力學(xué)估算

根據(jù)上述理論分析和有關(guān)監(jiān)測(cè)可知,當(dāng)晶鑫煤礦二工作面回采至停采線位置,由采動(dòng)影響引起的圍巖應(yīng)力重分布影響范圍波及到二采區(qū)車場(chǎng),停采線附近圍巖應(yīng)力集中峰值29 MPa,且原巖應(yīng)力為7 MPa。因此,設(shè)原巖應(yīng)力系數(shù)為1,工作面回采周圍形成的應(yīng)力集中系數(shù)4,工作面回采前方煤壁距應(yīng)力集中峰值位置的距離d3=18 m,應(yīng)力集中峰值距側(cè)向煤巖體深部原巖應(yīng)力區(qū)的距離d4=100 m;同時(shí),已知工作面的寬度d2=8 m,后方采空區(qū)d1=100 m,利用分析軟件代入式(5)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖5,圖6所示。

圖5 工作面回采形成的圍巖應(yīng)力分布Fig.5 Surrounding rock stress distribution of the working face

圖6 二采區(qū)車場(chǎng)各巷道所處的圍巖應(yīng)力環(huán)境Fig.6 Surrounding rock stress environment of the pit bottom in No.2 mining area

根據(jù)圖5可知,采區(qū)車場(chǎng)的上山巷道距離工作面回采至停采線位置最遠(yuǎn),在80 m～130 m范圍,基本處在1～1.7倍的原巖應(yīng)力狀態(tài),即7 MPa ～12 MPa,且圍巖水平應(yīng)力大小基本等于垂直應(yīng)力。由圖6可知,在采區(qū)車場(chǎng)側(cè),各繞道、回采巷道及其相應(yīng)聯(lián)絡(luò)巷距離工作面停采線較近,其中“三角形”交岔聯(lián)絡(luò)巷在距離停采線30m～80m的范圍內(nèi),基本處在1.7～3.6倍的原巖應(yīng)力狀態(tài),即12 MPa ～25.2 MPa,且圍巖垂直應(yīng)力較高于圍巖水平應(yīng)力。

由理論計(jì)算分析可推得,工作面停采線附近上覆巖層破碎、裂隙、彎曲下沉可引起端部覆巖向內(nèi)部擠壓而形成較大變形,其影響范圍十分廣泛;二采區(qū)車場(chǎng)巷道群的圍巖原有應(yīng)力劇烈增加,而且垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力,這對(duì)于整體巷道群圍巖穩(wěn)定而言,無異致使圍巖應(yīng)力環(huán)境加劇,各巷道的幫部圍巖破壞較明顯,不利于巷道群各巷間的承載結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)在采動(dòng)影響條件下,從沿工作面推進(jìn)方向?qū)γ簬r體超前支承壓力分布規(guī)律展開研究,結(jié)合彈性力學(xué)理論分析得到了工作面煤巖體的超前支承壓力分布狀態(tài)并簡(jiǎn)化為線性載荷分布形式,建立了工作面前方圍巖垂直應(yīng)力表達(dá)式,通過積分求解得到完整的應(yīng)力分布方程。

2)選取晶鑫煤礦二采區(qū)作為研究對(duì)象,根據(jù)應(yīng)力分布方程,利用分析軟件得到了二采區(qū)工作面采場(chǎng)及車場(chǎng)各巷道所處的圍巖應(yīng)力分布曲線,從而可判定采區(qū)車場(chǎng)的上山巷道基本處在1～1.7倍的原巖應(yīng)力狀態(tài),車場(chǎng)各繞道、回采巷道及其相應(yīng)聯(lián)絡(luò)巷基本處在1.7～3.6倍的原巖應(yīng)力狀態(tài)。

綜上分析可知,在工作面回采末期,盤(采)區(qū)車場(chǎng)巷道群圍巖承載體應(yīng)力集中顯著且影響范圍較廣,不利于各巷間的承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因此在回采支護(hù)設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)車場(chǎng)巷道的穩(wěn)定性,特別是承載能力較弱的交岔巷道支護(hù),確保各巷道在服務(wù)年限內(nèi)的穩(wěn)定可靠。

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