不同推进方向对近距离巷道围岩的影响

时间：2024-08-31

杨自友，蔡永彬，程长清，赵春堂

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601；2.中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

煤矿行业发展多年，常年开采使得煤矿的深度越来越大，地层结构也越来越复杂。深度较大的矿井数量占世界矿井总量的大多数，深部煤层开采后的应力变化情况比浅部煤层复杂得多，对其近处已开采巷道稳定性的影响非常大，甚至会影响开采煤层和巷道的安全。所以，开采深度大的煤层需要考虑多重因素，尤其是开采煤层近距离处存在交叉巷道的工程作业。为了预防工程事故，更需要注意选择其支护和开采方向。

我国的深部巷道中，回采工作面、运输大巷以及运输石门距离近的情况越来越多，且彼此空间位置交错；随着深度增加，回采工作面和巷道的倾斜角度也更有可能增大。深部回采工作面附近巷道地应力极高，其顶底板移近量和两帮移近量均较大，支护难度高于浅部巷道［1-5］。针对深度大、倾角大、形式复杂的巷道，国内众多专家学者进行了大量研究。王想君等［6］研究了“T”形巷道开采对近距离巷道的影响，并采用多种支护形式一体化协调的方案来控制围岩的稳定性。马念杰等［7］通过分析巷道围岩塑性区形成的力学机制以及形态特征，发现围岩塑性区的形成与发展会导致围岩变形破坏，且塑性区的范围决定了巷道破坏的程度。邓俊禹等［8］通过理论分析和数值模拟研究了深埋交叉巷道的变形机理，确定了解决围岩破碎问题的关键是提高围岩稳定性和加强支护。殷海波等［9］利用模拟软件得出减小锚杆间距参数更能限制围岩位移和塑性区。部分学者分析了工作面仰采期间出现危险、资源浪费等问题的原因，并提出针对性解决方案，为工作面仰采期间的生产安全和提高效率提供了宝贵的经验［10-11］。但目前关于上部不同开采方式对其下部“T”形巷道影响的研究较为少见，因此，本文以某矿井为对象，利用FLAC3D 软件，研究该矿井5#煤层末端的上部工作面开采对其下部“T”形巷道围岩应力、位移和塑性区的影响规律。

1 工程概况

5#煤层末端位于地下600 m 处，倾角为12°，属于缓倾斜煤层，开采煤层厚度为6.3 m；煤层直接顶为砂质泥岩，厚度2.5 m；底板为粉砂岩，厚度7.3 m。底板下部厚8.7 m 的砂岩内存在一条已开掘完成的“T”形巷道，砂岩下部为厚6.3 m 的泥质灰岩。5#煤层端部开采时，正好经过“T”形巷道的交叉部位，且巷道周围的岩层为粉砂岩和泥质灰岩等强度较低的岩石。因为已开掘巷道和待采工作面之间距离较近，且煤层角度大于6°，所以需从倾向和走向两种开采方向中选择一个更加合理的开采方向。

2 推进方向和破坏原理

2.1 推进方向

煤层推进方式一般有两种：走向开采和倾向开采。走向推进是指煤层推进工作面沿着煤层的倾向布置、走向推进；倾向推进是指煤层推进工作面沿着煤层的走向布置、倾向推进。还可以分为从上向下推进的俯采和从下向上推进的仰采两种方式。煤层倾角大于6°时，由于走向推进运输顺槽为平巷，工人行走、出煤、处理积水均比较方便，而倾向推进则相对比较复杂；当煤层倾角小于6°时，两种开采方式区别不大。走向推进在煤层倾角较大的工程中出现的频率比较高。此外，仰采在工程作业中的运用频率比俯采更高，主要是因为仰采时排水、出煤、通风等工序比俯采时简单，工作效率更高，成本更低；若仅仅考虑效率、成本、工序等，应优先选用仰采，但实际工程中应更加注重安全因素。此次工程案例中，开采煤层近距离处存在一“T”形巷道，所以需要通过模拟选择更好的开采方式。为提高工程效率，仅考虑走向开采和沿倾向方向的仰采。

2.2 破坏原理

巷道和煤层还未开挖时，岩体处于各向应力平衡状态；巷道开采并支护时，其周围岩石应力重新分布，达到新的平衡状态。应力重新分布产生应力集中区域及塑性区。塑性区内的岩体处于塑性状态，粘聚力几乎消失，仅靠摩擦力维持极不稳定的状态，整个巷道需要锚杆来维持稳定。当上部煤层开采时，其周围应力变化会扰动下部近距离巷道，使得巷道围岩应力再次分布，塑性区再次扩大。由于粘聚力太小，剪切破坏次数增多，若煤层开采和巷道支护不当，极有可能造成大规模的整体剪切破坏。

3 数值模型与模型参数

3.1 模型的建立

由于待开采煤层端部正下方有一已开挖的“T”形巷道，煤矿开采时会对周围3 ～ 5 倍巷道尺寸距离内的围岩有影响，故模型尺寸选40 m×40 m×40 m 的块体；模型四周应力皆为初始应力，固定模型四周和底面边界位移，在上部边界施加矿山压力，侧压力取垂直应力的0.5 倍。用锚杆单元模拟巷道的支护，支护长度为2.4 m。该矿煤炭可用开采方式为沿倾向方向的仰采。巷道的模型和锚杆支护具体情况如图1 所示，图1（b）中A 为运输大巷，B 为运输石门，T1 ～ T8 为切片所处位置。

图1 巷道模型Fig.1 Roadway model

3.2 围岩物理力学参数

依据现场提取的岩石样本，进行物理力学试验，测得围岩物理力学参数如表1 所示。

表1 围岩物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

岩石进入塑性阶段，有多种屈服准则可以表达该阶段的情况，其中摩尔-库伦屈服准则可以较好反应岩石弹塑性力学分布规律，故模拟中采用摩尔-库伦屈服准则，表达式为：

式中：σ1、σ3为大、小主应力，MPa；c 为粘聚力，MPa；φ为内摩擦角。当fs＞0 时，发生剪切破坏，根据抗拉强度准则，即时产生拉伸破坏。

4 模拟结果与分析

从图1（a）、图1（d）可以看出，模型含一已经开挖的“T”形巷道，已配锚杆且受力平衡，其上部较近处要开采一倾斜煤层。在不为上部煤层开采提供支护的前提下，观察“T”形巷道上部煤层在倾向和走向两种不同开采方向，比较4 次推进长度（由于仅仅考虑“T”形巷道附近的煤层，故开采长度仅取为7 m、8 m、9 m、10 m）对巷道围岩应力、位移和塑性区产生的影响，以选择更合适的开采方向。下图均取过模型的竖直切片，其中，T1、T3、T5、T7切片垂直于图1（b）中的走向开采，T2、T4、T6、T8切片垂直于图1（b）中的倾向开采。

4.1 应力分析

上部煤层还未开采时，“T”形巷道围岩应力重新分布，处于平衡状态；但上部煤层开采时，会影响其附近围岩应力。回采工作面以及巷道围岩的垂直和水平应力情况如图2 和图3 所示。

图2 模型竖直切片垂直应力云图（单位：Pa）Fig.2 Vertical stress cloud diagram for vertical slices of model（unit：Pa）

图3 模型竖直切片水平应力云图（单位：Pa）Fig.3 Horizontal stress cloud diagram for vertical slices of model（unit：Pa）

图2 为模型竖直切片垂直应力云图，分别对比T1、T2；T3、T4；T5、T6；T7、T8。推进7 m 时，走向推进最大应力为21.24 MPa，倾向推进最大应力为20.75 MPa，倾向小2%；当推进8 m 时，走向最大应力为22.25 MPa，倾向最大应力为21.34 MPa，倾向小4%；当推进9 m 时，走向最大应力为22.47 MPa，倾向最大应力为22.14 MPa，倾向小1%；当推进10 m 时，走向最大应力为23.70 MPa，倾向最大应力为22.22 MPa，倾向小6%；可见，在保证推进距离一致时，倾向推进的最大应力小于走向推进。随着推进距离增加，两种推进方式引起的最大应力差距也在增大。此外，走向推进时，运输大巷左侧直墙附近有一明显的应力集中区域，运输石门直墙附近也有一条呈条状的应力集中区域；而倾向推进时，仅在运输大巷直墙附近有一明显的条状应力集中区域，运输石门直墙处无明显应力集中区域。分别对比T1、T3、T5、T7；T2、T4、T6、T8，随着推进距离增加，煤层开采对下部巷道应力的影响逐渐增大，走向推进到“T”形巷道交叉处时，上部煤层开采对下部巷道应力区域产生较大范围的影响，而倾向推进造成的影响相对较小。

图3 所示为模型竖直切片水平应力图，图中最大水平应力均分布在模型顶部。对比相同推进距离、不同推进方向的应力，推进7 m 时，走向推进最大应力为22.13 MPa，倾向最大应力为17.62 MPa，倾向小20%；推进8 m 时，走向推进最大应力为25.59 MPa，倾向最大应力为19.22 MPa，倾向小25%；推进9 m 时，走向推进最大应力为28.84 MPa，倾向最大应力为21.21 MPa，倾向小26%；推进10 m 时，走向推进最大应力为29.28 MPa，倾向最大应力为23.90 MPa，倾向小18%。可见两种推进方式的最大水平应力相差较大，但差距也随着推进距离的增加先增大后减小。对比相同推进方向、不同推进距离应力，随着推进距离的增加，水平应力区域变化不明显，倾向推进对围岩应力变化的区域影响小于走向推进。

综合考虑水平应力和垂直用力，倾向推进优于走向推进。

4.2 位移分析

“T”形巷道顶底板最大相对位移即由上部巷道推进引起的围岩应力变化导致的应力重新分布。由于“T”形巷道的特殊形状，需要用数值模拟软件分析巷道交叉处顶底板最大垂直相对位移和直墙处水平位移在不同推进方向下的差异。

位移监测点如图1（c）所示，现观察1、2 两点附近的垂直位移和3 号点附近区域的水平位移。先观察图4 的垂直位移，对比相同推进距离、不同推进方向位移可以看出，推进7 m 时，走向推进1、2 点相对位移大小为2.5 mm，倾向推进1、2 点相对位移为4.0 mm；推进8 m 时，走向推进1、2 点相对位移大小为5.0 mm，倾向推进1、2 点相对位移为5.0 mm；推进9 m 时，走向推进1、2 点相对位移大小为10 mm，倾向推进1、2 点相对位移为5.0 mm；推进10 m 时，走向推进1、2 点相对位移为20 mm，倾向推进1、2 点相对位移为5 mm；在保证推进距离相同时，两种推进方向各有大小。纵向对比同种推进方向、不同推进距离可知，随着推进距离的增加，走向推进的相对垂直位移增大，倾向推进的相对垂直位移几乎不变，但最大相对位移出现在走向推进中。

图4 模型竖直切片垂直位移云图（单位：m）Fig.4 Vertical displacement cloud diagram for vertical slices of model（unit：m）

图5 所示为模型竖直切片水平位移图，对比同一推进距离、不同推进方向可看出，推进7 m 时，3号点附近的水平位移大小分别为2 mm、1 mm；推进8 m 时，3 号点附近的水平位移大小分别为2 mm、0.5 mm；推进9 m 时，3 号点附近的水平位移大小分别为5 mm、0.5 mm；推进10 m 时，3 号点附近水平位移大小分别为15 mm、0 mm；在保证推进距离相同时，倾向推进位移均小于走向推进位移。纵向对比同种推进方向、不同推进距离可知，随着推进距离的增加，走向推进的直墙水平位移在增大，而倾向推进的直墙水平位移却总体减小，但倾向推进直墙水平位移总体比较小。

图5 模型竖直切片水平位移云图（单位：m）Fig.5 Horizonal displacement cloud diagram for vertical slices of model（unit：m）

4.3 塑性区分析

煤层开采会对周围围岩应力产生影响，也必然伴随着塑性区的出现。推进方向不同，塑性区的表现形式也不尽相同。图6 所示为两种推进方向在7 m、8 m、9 m 和10 m 推进距离下的塑性区图，对比可以发现，上部煤层在无支护开采的条件下，走向推进引起的围岩塑性区明显大于倾向推进；随着推进距离的增加，两种推进方向的塑性区都明显增大。下部巷道由于锚杆支护，其塑性区明显小于上部采空区围岩的塑性区；此外，倾向推进塑性区域沿运输大巷均匀分布，而走向推进塑性区沿运输大巷方向存在一定起伏。最后，煤层顶板附近塑性区域要大于底板附塑性区域。

图6 模型竖直切片塑性区云图Fig.6 Plastic zone cloud diagram for vertical slices of model