厚煤层小煤柱巷道采掘交锋应力变化规律研究

王 震

(同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016)

采掘交锋问题是目前煤矿开采过程中最为常见的问题［1－3］，巷道开挖后，原有的围岩应力环境被打破，在没有采动影响的静压状态下，巷道支护相对容易，一旦受到相邻采场采动的影响，原本平衡的应力状态被打破，已掘巷道的支护系统面临着相邻采场侧向支撑压力的考验，极易发生冒顶事故。因此，为了减小这种侧向支撑压力的影响，很多矿区采用几十米宽的煤柱［4，5］，造成了煤炭资源不同程度的浪费，当煤层厚度较大时，这种“大煤柱”造成的资源浪费更为严重。

本文以同煤集团晋华宫矿12－3#层301盘区8107工作面为研究对象，利用岩土工程专用数值模拟软件 FLAC3D［6，7］探索研究厚煤层在留设小煤柱时采掘交锋过程中围岩的应力变化规律，为巷道合理支护方案的设计提供依据。

1 工程概况

8107工作面北部为12－3#层301盘区5109(未掘巷道)，东部至12－3#层301盘区轨道巷，南部为正在回采的12－3#层301盘区8105工作面，西部为实体，也是巷道掘进方向。根据生产安排，在8105工作面回采过程中，需要开掘8107工作面的5107巷道，5107巷道与2105巷道间煤柱宽度12 m，采掘巷道平面位置图见图1。

图1 采掘巷道平面位置图

12－3#煤层平均埋深 325 m，厚度 2.0 ～6.09 m，平均4.05 m，结构较复杂，普含一层夹石，呈“楔状”分布，倾角2°～6°，平均4°。老顶为细砂岩及砂质页岩，厚9.34 m，上部为黑灰色细砂岩，下部为黑色砂质页岩，致密状结构。直接顶为灰黑色细砂页，成分以石英长石为主，次有黑色矿物，含炭质物质中薄层砂质页岩，下部水平波状层理较发育与上层成过渡状接触，厚2.10 m。底板为深灰色砂质页岩，致密状结构，岩层厚度较大。根据地质勘查结果，该层煤体没有明显的构造应力，围岩应力以自重应力为主。

5107巷道断面形式为矩形，宽4.5 m，高2.8 m，设计长度600 m，施工时沿煤层顶板掘进，煤层厚度2.9～3.2 m时，见顶见底掘进;当煤层厚度大于3.2 m时，沿顶留底掘进。

2 采掘交锋应力变化规律研究

2.1 模型的建立

采用岩土工程专用数值模拟软件FLAC3D进行研究，以煤层下底面中心为原点，x轴正、负方向各取25 m，y方向取单位长度，z轴正方向取30 m，负方向取25 m，煤柱部分为 x=2.25 ～14.25 m 部分，右侧14.25～25.0 m范围内模拟8105面的回采。按平均岩体容重2.5 kN/m3计算，模型上表面施加竖向应力7.0 MPa模拟上部的岩层自重，侧压力系数取0.5，施加水平应力3.5 MPa，上部自由面，其余5面均采用滑动铰支座的位移边界。为了降低计算工作量，又不影响研究效果，采用渐变单元进行网格划分，巷道周围单元格划分较密，向外尺寸逐渐增加，共划分8 670个单元，17 716个节点，采掘交锋时模型见图2。

图2 采掘交锋模型图

2.2 采掘交锋前后围岩应力分析

围岩应力是决定巷道稳定最为重要的因素之一，尤其是对于动压巷道，准确掌握围岩应力的变化是采区及时合理补强支护最为重要的条件，采用 tecplot10.0软件对采掘交锋前后围岩的第一主应力(σ1)和第三主应力(σ3)分布范围做图，见图3，图4。

由图3(a)可知，巷道开挖平衡后，由于巷道断面自身的特性，(σ1)在巷道顶角和底角出现了应力集中现象，顶角的最大应力为12 MPa，为底角的1.2倍，但发生应力集中的范围较小。因此，支护工作相对较为容易。

图4 采掘交锋后围岩主应力分布图

由图3(b)可知，(σ3)的分布与(σ1)则截然相反，巷道开挖后，围岩表面临空，垂直于围岩表面的第三主应力消失，随着围岩深度的增加，(σ3)又开始增加。在竖向压力的作用下，煤体受压向巷道方向变形，受到阻碍后产生深色的应力升高区，最大应力为8.5 MPa。

采掘交锋后，8105工作面上部岩体的荷载被12 m宽煤柱及8107工作面煤体承担，5107巷围岩应力升高，顶角最大(σ1)达到15 MPa，见图4(a)，较采掘交锋前增加25%，煤柱内部增量(σ1)更为突出，普遍为采掘交锋前的1.75倍。相对于(σ1)，采掘交锋对(σ3)的影响较弱。

2.3 采掘交锋前后围岩主应力增量分析

为了进一步研究采掘交锋对围岩主应力的影响，在巷道左帮、顶板和右帮各选择3条测线，研究围岩和锚杆组成的锚固体内或附近的主应力变化关系，三条测线距巷道表面距离分别为0.5 m、1.5 m和2.5 m，长度均为相应巷道宽或高的3倍，其平面布置见图5。

图5 测线平面布置图

利用fish函数提取9条测线上采掘前后的第一和第三主应力值的量值，求解主应力增量，并作出采掘交锋前后围岩主应力增量图，见图6。

由图6(a)可知，距巷道表面0.5 m，交锋前后第一主应力增量波动较大，规律并不明显;而距巷道表面1.5 m 和 2.5 m，(σ1)增量变化趋势基本一致，巷道左帮底角向巷帮中心，增量逐渐从1.2 MPa增加到2.8 MPa，之后基本保持增量不变，而在右帮，(σ1)增加量值则先增加后减小，底角、巷帮、顶角(σ1)增量分别为3.77 MPa、5.0 MPa 和2.88 MPa;顶板(σ1)增量从左向右呈波浪状变化，煤柱内(σ1)增量较大，顶板正上方(σ1)增量较小。

图6 采掘交锋前后围岩主应力增量图

由图6(b)可知，距围岩表面0.5 m范围内，(σ3)增量变化不大，甚至在巷帮及顶板中部，(σ3)出现了负值，即8105工作面的回采引起5105巷道浅部围岩中第三主应力的降低。围岩支护的最终目的就是增加其内部的第三主应力，依此提高围岩的承载力［8］，可见，采掘交锋在增加巷道浅部围岩第一主应力的同时，降低了支护体的有效性。

此外，对比图6(a)，(b)可以看出，巷道顶板上部及靠煤柱侧的顶角，采掘交锋后的第一主应力均有不同程度的增加，最大增量达到4.78 MPa，而第三主应力基本没增加，反而有不同程度的降低，因此，采掘交锋过程中，应多注意这两部位围岩的变化，做好及时地防护工作。

3 结论

1)巷道开挖平衡后，顶角和底角出现了范围较小的第一主应力集中现象，顶角最大应力为12 MPa，为底角的1.2倍;第三主应力则随着围岩深度的增加逐渐增大，在煤帮深部达到最大值8.5 MPa。

2)采掘交锋过程中，巷道浅部围岩第一主应力增量波动较大，从巷帮中部向两侧(σ1)增量先增加后减小，而在顶板出现了3 m左右的缓增长区。

3) 距巷道表面1.5 m 和2.5 m，(σ1)增量变化趋势基本一致，巷道左帮底角向巷帮中心，增量逐渐从1.2 MPa增加到2.8 MPa，之后基本保持增量不变，而在右帮，(σ1)增加量值则先增加后减小，顶板(σ1)增量从左向右呈波浪状变化，煤柱内(σ1)增量较大，顶板正上方(σ1)增量较小。

4)巷道顶板上部及靠煤柱侧的顶角，采掘交锋后的第一主应力均有不同程度的增加，最大增量达到4.78 MPa，而第三主应力基本没增加，反而有不同程度的降低。因此，采掘交锋过程中，应多注意这两部位围岩的变化，做好及时地防护工作。

［1］郜进海，康天合，靳钟铭，等.巨厚薄层状顶板回采巷道围岩裂隙演化规律的相似模拟试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(19):3292－3298.

［2］侯圣权，靖洪文，杨大林.动压沿空双巷围岩破坏演化规律的试验研究［J］.岩土工程学报，2011，33(2):265－268.

［3］郝进海.薄层状巨厚复合顶板回采巷道锚杆锚索支护理论及应用研究［D］.太原:太原理工大学，2005:7－9.

［4］谢广祥，杨 科，刘全明.综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(3):545－549.

［5］韩承强.不同宽度区段煤柱巷道围岩结构及变形机理研究［D］.山东:山东科技大学，2007:3－5.

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［7］汪成兵.均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟［J］.岩土力学，2012，33(1):103－108.

［8］侯朝炯，勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究［J］.岩石力学与工程学报，2000，19(3):342－345.