跨采巷道围岩稳定性研究

跨采巷道围岩稳定性研究

王浩连莲乔晓龙

山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛266590

摘要：岩石具有典型的流变特性，受上部煤层开采作用影响，跨采巷道围岩稳定性将表现出明显的时间相关性，巷道围岩产生流变效应，其稳定性将受到很大影响，因此跨采巷道围岩稳定性控制尤为重要。本文借助FLAC软件建立了不同煤间距的跨采巷道数值模型，研究了考虑及不考虑蠕变效应条件下监测面围岩的应力、位移及塑性破坏情况，探讨了深部骑跨采巷道围岩稳定性的流变特征。研究结果对骑跨采巷道围岩的稳定性控制研究具有一定的参考意义。

关键词：蠕变效应、骑跨采巷道、FLAC模拟、不同煤间距

1引言

煤矿生产主要在地下岩体深处进行，形成一套由井筒、巷道及采场构成的复杂地下空间系统[1]。巷道受到煤层开采影响时，在巷道围岩中引起的采动应力一般可达原岩应力的2～6倍[2]。跨采巷道在没有受到工作面采动影响时，原有支护巷道维护状况尚好，但受到强烈的采动影响时巷道维护变得十分困难甚至难以使用，如果未进行有效控制，巷道围岩稳定性将受到严重破坏。矿井开采逐渐向深部发展，且伴随地应力增大以及采矿活动的影响，尤其是煤矿地质条件千变万化，导致在采动影响下巷道围岩稳定性控制问题越来越复杂和困难，此外，随着煤层开采深度的不断加大，巷道最大主应力多呈现为水平应力，在高水平主应力和采动应力共同作用下，巷道维护变得更加困难，严重影响了矿井的正常生产秩序。因此高水平应力跨采巷道围岩稳定性控制问题已成为该类巷道亟待解决的难点[3]。目前，巷道围岩控制的手段主要包括降低围岩应力、提高围岩强度和合理支护等。

矿井的开拓巷道可布置在较稳定的岩层内，而顺槽要受到因煤层开采形成的应力集中的影响，因而顺槽支护是相当困难的。深部顺槽工程岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性力学现象的原因，归根结底是由于深部岩体因其所处的地球物理环境的特殊性和应力场的复杂性所致。受其影响，深部岩体的受力及其作用过程所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统（虽然由于地质条件的复杂性也含有非线性力学问题），而是非线性力学系统，其稳定性控制的难点和复杂性在于不再含有线性问题。

2围岩蠕变分析

随着煤层开采工作面不断向前推进，工作面前方的支撑压力对下层动压巷道的影响将逐渐减弱，直至消失。但是，由于上部开采工作面存在一定的回采期以及存在与下部工作面的接续问题，导致深部骑跨采巷道围岩需经历上部煤层工作面开采引起的支撑压力的长期影响，导致下层巷道围岩的稳定性受到影响，岩石是典型的具有流变特性的材料，因此，在长时间高应力作用下巷道围岩稳定性将表现出明显的时间相关性，即流变效应，流变效应是深部骑跨采动压巷道围岩稳定性的重要特征之一。随着数值模拟技术的发展，借助于岩土工程分析专用软件FLAC探讨深部骑跨采巷道围岩稳定性的流变特征。

由于上部煤层工作面推过后，下方顺槽围岩主要受上部工作面及端头实体煤侧支撑压力的影响，因此，在分析深部骑跨采巷道围岩稳定性的流变特征时可将其简化为平面应变问题处理。根据巷道及上部工作面的受力和几何特征，取计算模型的几何尺寸为600m×50m。模型底部设置为固定边界，左、右两侧设置为水平方向位移约束边界，上部边界施加相当于上覆岩自重的均布载荷q'，显然，q'的选取与模型上部覆岩的厚度H有关。本模型对巷道围岩附近进行了网格细化，工作面推进部分采用null单元模拟。

煤间距为10m，下部运输巷道相对上方工作面内侧距离为28m，在上方两个工作面回采结束后考虑及不考虑蠕变效应条件下检测面所对应的垂向位移、水平向位移、垂直向应力、及运输巷道围岩的塑性破坏的情况分别如图1、2所示。煤间距为22m，运输巷道相对113上01工作面内侧距离为28m，在上方两个工作面回采结束后考虑及不考虑蠕变效应条件下检测面所对应的垂向位移、水平向位移、垂直向应力、及下部运输巷道围岩的塑性破坏的情况分别如图3、4所示。

（a）垂向位移（b）水平向位移

（c）垂向应力（d）破坏形态

图1煤间距10m，内错28m，上方工作面采出后不考虑蠕变时下方运输巷道围岩的应力位移及破坏情况

（a）垂向位移（b）水平向位移

（c）垂向应力（d）破坏形态

图2煤间距10m，内错28m，上方工作面采出后考虑蠕变时下方运输巷道围岩的应力位移及破坏情况

（a）垂向位移（b）水平向位移

（c）垂向应力（d）破坏形态

图3煤间距22m，内错28m，上方工作面采出后不考虑蠕变时下方运输巷道围岩的应力位移及破坏情况

（a）垂向位移（b）水平向位移

（c）垂向应力（d）破坏形态

图4煤间距22m，内错28m，上方工作面采出后考虑蠕变时下部运输巷道围岩的应力位移及破坏情况

从图1中可以看出：在不考虑蠕变效应时，下部运输巷道围岩的垂直位移近似呈对称分布，但由于受上部工作面侧向支承压力的影响，巷道围岩顶板下沉影响范围左侧略大；在考虑蠕变效应时，随着时间的推移，巷道围岩垂直及水平位移都不断增加，但下部巷道左侧的水平位移随时间增加而增加的量值及幅度都远大于右侧随时间增加而增加的值，蠕变效应结束后，巷道左侧的水平位移随时间增加而增加的量值及幅度分别为21.2mm、12.4%，而运输右侧的水平位移随时间增加而增加的量值仅为4.8mm、2%；巷道围岩较大变形区域在时间推移的过程中不断向围岩深部扩张，其中巷道底板围岩变形速率较大，扩张深度较大；垂向应力最大压应力及最大拉应力在考虑蠕变效应后分别增加了297kPa、3.18kPa，其相应的增加幅度分别为0.5%及6.7%；同时下部巷道围岩的破坏范围也在考虑蠕变效应前后存在增加趋势，不断向围岩深部扩展。

从图1~图4中对比可以看出：在考虑蠕变效应后，煤层间距为10m时，运输巷道顶底板及两帮相对移近量及变化幅度分别增加了23.47mm及26.02mm、7.2%及6.3%；煤层间距为22m时，其顶底板及两帮相对移近量及变化幅度分别增加了14.7mm及9.4mm、4.7%及2.5%，由此可得下部运输巷道围岩位移变化受蠕变效应的影响程度随着煤层间距的增加而弱化。不同煤间距条件下，在蠕变初期，巷道围岩只发生了较小的蠕变变形，产生了较小范围的塑性区，围岩塑性区扩展缓慢且巷道围岩塑性区面积差别不大。随着时间的推移，在上部工作面支承压力长期作用下，下部巷道围岩进入恒速蠕变阶段，巷道围岩塑性区范围快速扩展；进入减速蠕变阶段后，前期围岩塑性区扩展缓慢，后期则几乎保持不变，此时围岩逐渐趋于稳定。同时随着时间的推移，巷道围岩塑性区面积不断增大，并逐渐趋于稳定，但煤间距越小巷道围岩塑性区面积达到稳定所需的时间较长。

3结论

（1）上部煤层采动作用下，下部巷道围岩的垂直位移近似呈对称分布，考虑蠕变效应情况下，随时间推移，巷道围岩垂直及水平位移均不断增加，但巷道两侧增加幅度不同；巷道围岩较大变形区域在时间推移的过程中不断向围岩深部扩张，其中巷道底板围岩变形速率较大，扩张深度较大；随着时间推移，垂向应力最大值均增加；围岩破坏范围也存在增加趋势，不断向围岩深部扩展。

（2）随着距上部煤层间距的增加，巷道围岩的位移变化受蠕变效应的影响程度降低，即围岩的位移变化减小；不同煤间距条件下，随时间增加，巷道围岩塑性区范围逐渐增加，最终趋于稳定，但煤间距越小巷道围岩塑性区面积达到稳定所需的时间越长。

参考文献：

[1]刘汉喜，李学华，陈秀友，陈稼轩.采动敏感型底板岩巷失稳机理模拟分析[J].采矿与安全工程学报，2007（02）：226-230.

[2]刘明，王壮雏，张力.综采工作面回采巷道围岩变形规律研究[J].矿业快报，2008（1）：46－49.

[3]邹德均，杨红运，宫良伟，等.中厚煤层“两软一硬”回采巷道支护优化[J].煤矿安全，2018，49（8）：177.