采空区侧向压力对巷道稳定性影响分析

智国军 霍晓林 程叶

摘 要：以1105工作面为研究对象，分析了采空区侧压围岩变形破坏机理，采用RFPA对1105工作面推采到200m、400m、600m时工作面巷道及煤柱变形破坏情况进行分析，通过主应力图和声发射图以及不同推进度时顶板下沉量、底板底鼓量、工作面侧煤帮变形量和煤柱侧煤帮变形量，分析得到采空侧压和超前支承压力增加幅度大是巷道围岩变形量大主因。

关键词：采空区;侧压;稳定性;变形破坏

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.090

临近采空区开掘的巷道会受到采空区侧向支承压力的影响，使得巷道在开掘过程中出现强烈的矿压显现。巷道围岩在侧向支承压力的作用下容易形成应力集中区，围岩由弹性状态转化为塑性状态，巷道围岩出现变现破坏，容易出现冒顶、片帮、底鼓等灾害，影响矿井的安全生产。因此，对于采空区侧压影响下巷道围岩变形规律的研究，确定影响巷道变形破坏的因素，分析围岩变形破坏的规律，为矿井后续的支护工作提供理论基础，为工作面的安全回采提供保障。

1 工作面概况

1105工作面位于轨道下山以东;北侧为已回采结束的1103工作面，中间煤柱为6m;南侧及北侧为实体煤。工作面主采1号煤层，平均厚度1.60m，平均倾角9°。1105工作面和1103工作面采空区之间仅有 6m煤柱，造成1105工作面在临近大采空区的环境下进行开采，因此1105工作面开采时受采空侧压影响容易发生变形失稳。

2 采空区侧压围岩变形机理

当工作面相邻仅有一个采空区时，上覆岩层断裂的深度较小，工作面沿空侧形成较小的悬臂结构，采空区上部岩层的力通过悬臂结构向工作面沿空巷道一侧转移，由于巷道布置在低应力的环境中，应力增加的不明显，暂时围岩不会发生变形破坏;当工作面相邻有两个或多个采空区时，上覆岩层断裂的深度大，工作面沿空侧形成大的悬臂结构，采空区上部岩层的力通过悬臂结构向工作面沿空巷道一侧转移，会造成大悬臂结构的突然断裂，应力全部向巷道上部转移，会发生岩层侧向失稳造成巷道围岩变形破坏，其破坏机理如图1所示。

图中，G1增大，即巷道边缘的岩层厚度增大，传递到巷道上的力增大，同等条件下，缓沉带下降大，传递到岩层上的力增加。

式中：G1—转移到悬臂结构的力;

yn—岩层传递力;

Ki—采空区承载力。

当相邻有两个（多个）采空区时，随着开采的进行，上覆岩层破坏的深度越来越大，则yn不断的增大，而Ki几乎不会产生变化，造成悬臂结构承载的力突然的增大，发生断裂。当侧向悬臂结构出现突然断裂时，造成应力突变式增大，应力转移到巷道煤柱侧的深度增大，应力破坏范围大，能量足，形成巷道失稳变形破坏。

由图2悬臂结构未断裂时支承压力分布图和悬臂结构断裂时支承压力分布图可以看出，当悬臂结构断裂，应力突变增大，影响范围变大，峰值范围变大，使巷道处于高应力区，从而对巷道产生破坏。

3 采空区测压影响范围数值模拟

3.1 模拟方案

采用RFPA对1105工作面推采到200m、400m、600m时侧向支承压力及巷道围岩变形进行数值模拟，通过对主应力、声发射和应力分布曲线和巷道围岩变形曲线的总结和研究，分析工作面推采到不同距离时轨道顺槽应力及巷道变形情况。以1105工作面地质条件设定材料参数建立50 m×50 m×40 m模型，模型垂直方向施加5MPa载荷，材料参数如表 1 所示。

3.2 模拟结果分析

图3为1105工作面推采到200m、400m、600m时工作面巷道及煤柱变形破坏主应力图和发射图。

由图3可知，随着工作面向前推进，巷道围岩由于应力集中开始出现变形破坏。根据工作面推采到200m时主应力图可知，集中应力主要出现在煤柱和巷道两侧，随着时间的推移，煤柱两侧集中应力变小，其主要原因是工作面推采导致煤柱变形破坏，应力向煤体深部转移。根据声发射图可知，声发射主要出现在煤柱内和靠近煤柱侧巷道底板，随着时间的推移，声发射逐渐减小，说明工作面向前推采导致煤柱和巷道底板出现围岩变形破坏的现象，其主要变形为巷道出现底鼓和煤柱侧帮内移。

由图可知，随着工作面推进距离的增大，巷道主应力和声发射破坏程度和影响范围增大。但是其变形破坏规律与工作面推采到200m时相似，煤柱和巷道底板出现变形破坏情况。

4 不同推采度巷道及煤柱变形破坏分析

表2为采用RFPA模拟软件模拟2309工作面推采到200m、400m和600m时轨道顺槽变形量数据表。

由表2可知，工作面推采到200m、400m和600m时，轨道顺槽顶底板和两帮均出现了较大变形，并且以底板底鼓和两帮移近为主，其中煤柱侧煤帮变形量和煤柱侧底板底鼓最为严重。其中400m处顶板下沉量、底板底鼓量、工作面侧煤帮变形量和煤柱侧煤帮变形量分别是200m处的1.27倍、1.30倍、1.23倍和1.24倍;而600m处顶板下沉量、底板底鼓量、工作面侧煤帮变形量和煤柱侧煤帮变形量分别只是400m处的1.02倍、1.04倍、1.02倍和1.04倍。

5 结论

（1）以1105工作面为研究对象，分析了采空区侧压围岩变形破坏机理，工作面沿空侧形成大的悬臂结构，容易形成应力集中，当集中的应力突然释放会造成岩层侧向失稳造成巷道围岩变形破坏。

（2）采用RFPA对1105工作面推采到200m、400m、600m时工作面巷道及煤柱变形破坏情况进行分析，得出巷道不同推采度时巷道围岩变形破坏应力图。并通过不同推进度时顶板下沉量、底板底鼓量、工作面侧煤帮变形量和煤柱侧煤帮变形量，分析得到采空侧压和超前支承压力增加幅度大是巷道围岩变形量大主因。

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作者简介：智国军（1988-），男，山西大同人，本科，助理工程师，技术主管，从事巷道掘进技术管理工作。