李家壕礦22 中116 工作面末采期間回撤通道圍巖破壞特征

賀艷軍，宋亞新，李俊奇，陳 凱，李治平

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭014010；2.神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

回撤通道是綜采工作面進(jìn)行設(shè)備回撤和搬家時(shí)主要的使用巷道?；爻吠ǖ啦贾梅绞綄?dǎo)致其所處的應(yīng)力環(huán)境較為特殊，相對(duì)于其他回采巷道更容易發(fā)生嚴(yán)重的圍巖變形[1]。因此，保證回撤通道的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的快速、順利回撤是礦井安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)[2-7]。針對(duì)回撤通道受移動(dòng)超前支承壓力影響劇烈，煤壁片幫嚴(yán)重、圍巖變形、末采貫通期間頂板不易控制等難題，吳志剛等通過(guò)對(duì)工作面回撤通道礦壓規(guī)律的實(shí)測(cè)研究，得出巖層響應(yīng)和超前壓力傳遞大體經(jīng)歷4 個(gè)階段，即穩(wěn)定階段、加速階段、顯著階段和突變階段[8]。張金虎通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的方法，對(duì)末采及回撤期間頂板來(lái)壓特征進(jìn)行了研究，提出在工作面逐漸靠近回撤通道的過(guò)程中，頂板運(yùn)動(dòng)分為相對(duì)穩(wěn)定、突變運(yùn)動(dòng)及顯著運(yùn)動(dòng)3 個(gè)階段[9]。呂華文通過(guò)采用多種手段對(duì)預(yù)掘回撤通道應(yīng)用所涉及的力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行深入的剖析，提出了工作面剩余煤柱力學(xué)分析模型，揭示了工作面剩余煤柱動(dòng)態(tài)力學(xué)變化特征[10]。

由于煤礦的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，仍需對(duì)不同地質(zhì)條件下，工作面接近回撤通道，即末采期間的巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，為此，以李家壕礦為工程背景，結(jié)合蝶形破壞理論[11]，研究李家壕煤礦綜采工作面末采期間回撤通道圍巖應(yīng)力分布及破壞特征，從而為末采期間巷道圍巖控制提供依據(jù)。

1 蝶形破壞理論

巷道圍巖在一定的應(yīng)力條件下會(huì)產(chǎn)生蝶形破壞，當(dāng)巷道圍巖雙向應(yīng)力比值很大的情況下，巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)蝶形破壞區(qū)，當(dāng)雙向應(yīng)力方向發(fā)生變化時(shí)，蝶葉也會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

巷道圍巖的破壞形態(tài)問(wèn)題往往采用彈塑性力學(xué)中圓孔的平面應(yīng)變模型解決[12-19]。建立的非等壓均質(zhì)圓形巷道圍巖塑性區(qū)計(jì)算模型如圖1。

圖1 非等壓均質(zhì)圓形巷道圍巖塑性區(qū)計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of plastic zone of surrounding rock in non-equal pressure homogeneous circular roadway

非等壓均質(zhì)圓形巷道圍巖塑性區(qū)邊界半徑R0的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：p1、p3為區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；C、φ 為煤巖介質(zhì)的黏聚力、內(nèi)摩擦角；a 為巷道半徑；θ 為最大主應(yīng)力p1與水平方向的夾角。

由式（1）可得在不同圍壓條件（p1/p3=η）下巷道圍巖塑性區(qū)邊界分布，當(dāng)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)為雙向等壓時(shí)，即η=1，巷道圍巖塑性區(qū)為圓形（K1為雙向平衡極限系數(shù)）；雙向主應(yīng)力比值不大時(shí)，即1＜η＜K1為橢圓形，雙向主應(yīng)力比值較大時(shí)，即η＞K1為蝶形，對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)一般形態(tài)如圖2。表明區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的雙向主應(yīng)力比值η=p1/p3控制著巷道圍巖塑性區(qū)的形狀，在非等壓狀態(tài)下，即使巷道圍巖是均質(zhì)的，也會(huì)出現(xiàn)局部破壞的現(xiàn)象，破壞區(qū)域是對(duì)稱的4 個(gè)蝶葉（蝶形塑性區(qū)的最大尺寸部分），蝶葉位于2 個(gè)主應(yīng)力方向夾角的角平分線附近。

2 工程概況

圖2 理論計(jì)算圓形巷道塑性區(qū)一般形態(tài)Fig.2 Theoretical calculation of the general shape of the plastic zone of a circular roadway

李家壕煤礦22 中116 綜采工作面上覆松散層厚10～50 m，上覆基巖厚105～210 m，煤層平均埋藏深度185 m，工作面回采范圍內(nèi)平均煤厚3 m，煤層傾向南西，煤層傾角0°～3°，屬半暗型煤，節(jié)理發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定型煤層。

22 中116 綜采工作面位于一水平，是2-2 中煤層一盤區(qū)第6 個(gè)綜采工作面，22 中116 工作面煤巷沿煤層傾斜方向布置，22 中116 主運(yùn)巷長(zhǎng)2 576 m，22 中116 輔運(yùn)巷長(zhǎng)2 600 m。工作面平面及測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3。工作面長(zhǎng)度為300 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 406 m。回撤通道平行于工作面，自掘出到貫通，隨著工作面的逐步推進(jìn)，經(jīng)歷了超前支承壓力影響的全過(guò)程，受采動(dòng)影響尤為強(qiáng)烈，圍巖出現(xiàn)明顯變形。

圖3 工作面平面布置及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Working plane layout and measuring point layout

3 末采期間回撤通道應(yīng)力分布規(guī)律及塑性破壞特征

3.1 數(shù)值模擬模型

以李家壕煤礦22 中116 綜采工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖4。模型長(zhǎng)400 m，寬600 m，總高度150 m。模型邊界條件為：左右2個(gè)截面（x＝0，x＝400）上x 方向的位移限制為0；前后2個(gè)截面（y＝0，y＝600）上y 方向的位移限制為0；最下面水平面上3 個(gè)方向的自由度都為0；最上面水平面上的原巖應(yīng)力σz＝ρgH。塑性條件采用Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。巖層巖性及巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.4 Numerical simulation calculation model

模擬方案：在回撤通道開挖完成后，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算直至平衡，然后開始進(jìn)行工作面的回采，從距主回撤通道100 m 開始回采，末采期間取7 種情況進(jìn)行分析，距離主回撤通道依次為100、50、20、15、10、5、0 m，在計(jì)算的過(guò)程中，對(duì)回撤通道頂板及兩幫煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力以及塑性破壞進(jìn)行分析。

3.2 末采期間回撤通道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

末采期間回撤通道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律曲線圖如圖5。工作面末采期間，隨貫通距離的減小，回撤通道最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)工作面與回撤通道貫通后，最大主應(yīng)力突然減小。且工作面前方超前支承壓力影響范圍為20 m，當(dāng)工作面距離貫通剩余20 m 左右時(shí)，主回撤通道開始進(jìn)入超前支承壓力影響區(qū)，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，主回撤受到超前支承壓力的影響越來(lái)越大，距離貫通剩余5 m 左右時(shí)，開始進(jìn)入最大影響范圍，直至貫通時(shí)，主回撤頂板所受垂直應(yīng)力達(dá)到最大值。

表1 各巖層巖性及巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock properties and rock mechanics parameters of each rock

由圖5（e）可以看出，隨工作面與主回撤貫通，圍壓比從距貫通剩余5 m 時(shí)的1.4 左右，變化到貫通時(shí)的4.0 左右。說(shuō)明在工作面與主回撤貫通剩余5 m 左右時(shí)，巷道圍巖破壞形態(tài)正在由橢圓形形態(tài)向蝶形破壞形態(tài)演化，且此過(guò)程隨圍壓比的增大，碟葉輪廓也逐漸增大，即巷道圍巖破壞范圍逐漸增大。

3.3 末采期間回撤通道圍巖塑性破壞特征

當(dāng)回撤通道開挖后，巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，巷道周邊圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)，一定時(shí)間后，會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)受到工作面采動(dòng)影響時(shí)，回撤通道圍巖應(yīng)力又重新分布，圍巖塑性區(qū)惡性發(fā)展，22 中116工作面距離貫通剩不同距離時(shí)圍巖塑性破壞特征圖如圖6。

圖5 末采期間回撤通道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律曲線圖Fig.5 Curves diagram of stress distribution law of surrounding rock in retracement channel during terminal mining

回撤通道不受采動(dòng)影響時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)為1.5 m，底板塑性區(qū)為1 m，兩幫塑性區(qū)為1 m；當(dāng)工作面距離回撤通道20 m 時(shí)，巷道頂板中部塑性區(qū)擴(kuò)展到2 m，底板靠近正幫處塑性區(qū)擴(kuò)展為1.5 m，兩幫塑性區(qū)不變，回撤通道受采動(dòng)影響不明顯，或者說(shuō)開始受到采動(dòng)影響；當(dāng)工作面距離回撤通道15 m時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)為2 m，但靠近副幫處塑性區(qū)增大，底板塑性區(qū)仍為2 m，但靠近正幫處塑性區(qū)增大，回撤通道受采動(dòng)影響較為明顯，巷道圍巖變形破壞開始加劇；當(dāng)工作面距離回撤通道10 m 時(shí)，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)擴(kuò)展較小，正幫塑性區(qū)擴(kuò)展為1.5 m，開始有增大的趨勢(shì)；當(dāng)工作面距離回撤通道5 m時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)變化不大，兩幫塑性區(qū)均擴(kuò)展為1.5 m，且正幫破壞范圍大于副幫，正幫塑性區(qū)即將與工作面前方塑性破壞區(qū)連接，回撤通道受采動(dòng)影響明顯，巷道圍巖變形破壞加??；當(dāng)工作面距離回撤通道4 m 時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)變化不大，副幫塑性區(qū)均擴(kuò)展有所增加，正幫塑性區(qū)與工作面前方塑性破壞區(qū)連接，主回撤通道與工作面之間煤柱完全破壞；當(dāng)工作面距離回撤通道3 m 時(shí)，頂板塑性區(qū)擴(kuò)展為3 m，底板破壞范圍也增加，頂?shù)装宕藭r(shí)受采動(dòng)影響加??；當(dāng)工作面距離回撤通道2 m 時(shí)，頂板塑性區(qū)擴(kuò)展為4.5 m，底板塑性區(qū)擴(kuò)展為2.5 m，頂?shù)装宕藭r(shí)受采動(dòng)影響劇烈；當(dāng)工作面與回撤通道貫通時(shí)，巷道上方6 m 范圍內(nèi)圍巖全部破壞，副幫塑性區(qū)破壞范圍也增大，并且與頂板塑性區(qū)連接，形成一個(gè)巨大的塑性破壞區(qū)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 頂板圍巖結(jié)構(gòu)及裂隙觀測(cè)

在22 中116 工作面主回撤通道里每隔60 m 布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在輔回撤通道每隔40 m 布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)觀測(cè)后的窺視結(jié)果分析得：22 中116 工作面主回撤通道在0～300 m 之間頂板巖性在觀測(cè)孔深范圍內(nèi)除煤以外，還賦存有厚度不等的砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，頂板巖層結(jié)合較為簡(jiǎn)單，砂質(zhì)泥巖主要分布于0～3 m 和5～7 m 范圍內(nèi)，0～5 m 范圍內(nèi)，含少量0.1～0.3 m 的煤夾層，其余范圍內(nèi)巖性主要為細(xì)粒砂巖。頂板鉆孔柱狀圖如圖7。

圖6 22 中116 工作面距離貫通剩不同距離時(shí)圍巖塑性破壞特征圖Fig.6 Plastic failure characteristics of surrounding rock when 116 working faces are separated by different distances

圖7 頂板鉆孔柱狀圖Fig.7 Top hole drilling histogram

在觀測(cè)孔深范圍內(nèi)，巷道頂板完整性較好，靠近輔運(yùn)輸巷的鉆孔在2 m 范圍內(nèi)圍巖裂縫發(fā)育，破碎嚴(yán)重，頂板深部圍巖完好，無(wú)破碎，靠近主運(yùn)輸巷的鉆孔在4～5 m 范圍內(nèi)裂隙較多，其他范圍內(nèi)無(wú)破碎。頂板裂隙圖如圖8。

圖8 頂板裂隙圖Fig.8 Top plate crack diagram

4.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

在主回撤通道里每隔40 m 布置1 個(gè)測(cè)站，共計(jì)7 個(gè)測(cè)站，測(cè)站編號(hào)為1#～7#；在輔回撤通道每隔30 m 布置1 個(gè)測(cè)站，共計(jì)8 個(gè)測(cè)站，測(cè)站編號(hào)為1～8。測(cè)站布置圖如圖3?；爻吠ǖ辣砻嫖灰票O(jiān)測(cè)曲線如圖9。

由圖9 可知，隨著回采工作面的逐漸推進(jìn)，巷道兩幫及頂?shù)装逡平砍尸F(xiàn)增大趨勢(shì)，尤其工作面即將與回撤通道貫通階段，變形量突增，其中主回撤變形量大于輔回撤。

1）隨工作面推進(jìn)，主回撤通道兩幫及頂?shù)装寰形灰谱兓?，在工作面距離主回撤大于40 m 時(shí)，位移量均在10 mm 左右，當(dāng)工作面距離主回撤剩余40～30 m 范圍內(nèi)時(shí)，主回撤兩幫及頂?shù)装寰l(fā)生較大位移變化，位移量在20～30 mm，當(dāng)工作面距離主回撤剩余10～5 m 范圍內(nèi)時(shí)，主回撤兩幫及頂?shù)装逡平客蝗黄毡樵龃?，其中兩?0～120 m 范圍內(nèi)移近量在10～90 mm，兩幫其他范圍內(nèi)移近量均在100～640 mm，頂?shù)装逶?～60 m 范圍內(nèi)，縮近量在90～250 mm，頂?shù)装迤渌秶?，縮近量30～110 mm。

2）當(dāng)工作面距離主回撤剩余90～60 m 范圍內(nèi)時(shí)，輔回撤通道內(nèi)大范圍的兩幫及頂?shù)装彘_始發(fā)生位移變化，位移量在20～30 mm，最大移近量50 mm，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，輔回撤通道未發(fā)生較大位移變化，兩幫移近量普遍在10～30 mm，頂?shù)装蹇s進(jìn)量大多也在10～30 mm。

5 結(jié) 論

1）工作面末采期間，隨貫通距離減小，主回撤通道圍壓比值不斷增大，從距貫通剩余5 m 時(shí)的1.4左右，突增到貫通時(shí)的4.0 左右。即在工作面與主回撤貫通剩余5 m 左右時(shí)，巷道圍巖破壞形態(tài)正在由橢圓形形態(tài)向蝶形破壞形態(tài)演化，且此過(guò)程隨圍壓比的增大，碟葉輪廓也逐漸增大，巷道圍巖破壞范圍也隨之增大。

2）隨著回采工作面的推進(jìn)，主回撤受到工作面超前支承壓力的影響越來(lái)越大，直至推進(jìn)至回撤通道5 m 內(nèi)時(shí)，開始進(jìn)入最大影響范圍，此時(shí)煤柱垂直應(yīng)力增至最大，工作面與回撤通道之間的煤柱成為塑性煤柱，煤柱承載能力急劇降低，致使回撤通道錨桿支護(hù)能力急劇降低，回撤通道變形嚴(yán)重。

3）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著回采工作面的推進(jìn)，巷道兩幫及頂?shù)装逡平砍尸F(xiàn)增大趨勢(shì)，尤其工作面即將與回撤通道貫通階段，回撤通道受到劇烈的采動(dòng)影響，且主回撤受影響程度遠(yuǎn)大于輔回撤。

4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，回撤通道圍巖破壞特征與理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，即在工作面推進(jìn)至距貫通剩余5 m 左右時(shí)，隨巷道圍壓比的增大，圍巖破壞范圍也逐漸增大。