水平应力影响下深部近距离巷道围岩稳定性研究
时间：2022-02-17 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技与工程 ★
水平应力影响下深部近距离巷道围岩稳定性研究
近年来，随着煤矿开采深度的不断增加，地质条件日益复杂，水平应力常常大于垂直应力，给深部巷道支护提出了新的挑战。工程实践表明，水平应力对巷道围岩影响具有明显的方向性，与垂直应力为最大主应力的情况相比，巷道围岩应力分布及变形破坏存在明显的差异性。因此，研究水平应力对围岩变形和巷道支护的影响，对于深部巷道围岩控制和煤矿安全生产具有重要意义。
目前，许多学者对巷道受水平应力影响的围岩变形规律进行了研究。杨本生等通过相似模拟试验，研究了深井软岩巷道受不同水平应力时底板围岩变形失稳特征及围岩应力分布状态。张明建等通过相似模拟试验，研究了锚网索喷+U型钢支护巷道在不同水平应力作用下巷道围岩的变形和破坏特征。孙玉福利用数值模拟软件，分析了不同巷道轴线与最大水平主应力夹角情况下巷道围岩应力分布与变形特征。综上所述，专家学者采用相似模拟和数值分析等方法，在不同水平应力影响下深部巷道支护机理和围岩变形等方面进行了较为深入的研究，取得了丰富的研究结果。但对近距离复杂开采条件水平应力对巷道围岩变形破坏影响的研究相对较少。因此，本文在上述研究的基础上，考虑了济宁三号煤矿的特殊开采地质条件，以183下05工作面运输平巷为研究对象，利用FLAC3D有限差分数值模拟软件，建立未考虑水平应力和考虑水平应力三维数值模型，通过数值模拟对比分析，研究水平应力对受近距离上部煤层采动影响的煤巷围岩应力分布及变形破坏影响规律，为同类条件巷道围岩控制提供理论依据。
1 工程背景
济三矿183下05工作面位于十八采3下回风巷的北侧，东邻183下04工作面，西邻183下06工作面，南至设计停采线，为工作面北部上方183上06(北)采空区，工作面南部上方为183上06(南)工作面和183上05采空区，西侧为183上07工作面，东侧为183上04采空区。183下05工作面运输平巷位于工作面西侧，同煤层运输平巷西侧为未开采区域，西侧3上煤层为183上07工作面。煤厚2.30～5.54 m，平均厚4.2 m，煤层倾角最大为7°，平均3°，如图1所示。
图1 183下05工作面平面布置图(北部区域)
目前183下05运输平巷已掘进至183上06(北)采空区下方，掘进头位于183上06(北)工作面停采线北侧约45 m处，剩余1040 m尚未掘进，巷道向183上06(北)工作面采空区内错20 m。根据工作面开采设计，运输平巷沿底板掘进，巷道设计为矩形断面。巷道高3.8 m，宽4.8 m，平均埋深820 m。
2 数值模拟方法和模型的建立
2.1 FLAC3D数值模拟方案
本文利用FLAC3D数值模拟软件，根据现场实际情况进行建模与赋参。模型尺寸1150 m(长)×600 m(宽)×110 m(高)，模型左右前后边界施加水平约束，使边界水平位移量为零；底部边界固定，使底部边界水平、垂直位移量均为零，采用摩尔—库伦模型，三维数值计算模型如图2所示。
图2 三维数值计算模型
2.2 模拟及支护方案
2.2.1 模拟方案
依据济宁三号煤矿十八采区地应力测试报告，原岩应力场最大主应力为水平应力，其大小为30.82～35.41 MPa，方向为105.58°～118.77°，为垂直应力的1.69～1.81倍，是最小水平主应力的1.23～1.73倍。因此，在建立数值模型时，分为4种模拟方案：方案一，未考虑水平应力、帮部无锚索；方案二，未考虑水平应力、帮部加锚索；方案三，考虑水平应力条件下、帮部无锚索；方案四，考虑水平应力条件下、帮部加锚索。在煤层倾向方向(巷道两帮侧)施加1.75倍垂直应力的水平应力，沿煤层走向(巷道延伸方向)施加1.2倍垂直应力的水平应力。模型模拟开采顺序：先回采183上06工作面，然后掘进并支护183下05运输平巷，最后开采183上07工作面。
2.2.2 支护方案
183下05工作面运输平巷北段设计为矩形巷道，沿煤层底板掘进，采用锚网(钢带)支护，顶板锚杆直径22 mm，长度2400 mm，设计锚固力不小于150 kN/根，锚杆排距为800 mm；帮部锚杆直径22 mm，长度2200 mm，设计锚固力不小于100 kN/根，锚杆排距为800 mm。顶部锚索直径22 mm，长度6000 mm，设计锚固力不小于180 kN/根，断面锚索排距2400 mm。帮部锚索直径22 mm，长度6000 mm，设计锚固力不小于180 kN/根，断面锚索排距2400 mm，布置于靠近183上07工作面侧帮部。
3 183下05工作面胶顺围岩加固支护模拟分析
3.1 未考虑水平应力巷道围岩支护效果分析
3.1.1 方案一
方案一的支护效果如图3所示。方案一的巷道水平位移和垂直位移云图分别如图4和图5所示。由图4和图5可知，183下05工作面掘进成巷后处于上煤层183上06(北)工作面采空区下，受上煤层采场支承压力底板传播应力影响，尤其是183上07工作面开采期间，该工作面超前支承压力与相邻采空区侧向支承压力叠加，应力集中程度较高，且靠近183下05工作面运输平巷，此时，运输平巷受集中支承压力底板传播应力影响最大。由巷道两帮水平和垂直位移云图可知，帮部无锚索支护时，运输平巷左右两帮最大水平位移分别为150 mm和165 mm，顶板下沉量为25 mm，底板底鼓量为50 mm。
图3 方案一巷道支护效果图
图4 方案一巷道水平位移云图
图5 方案一巷道垂直位移云图
方案一的巷道塑性破坏区如图6所示。由图6可知，运输平巷帮部塑性破坏形式以剪切破坏为主，局部微小区域存在张拉破坏，巷道底板形成规则的剪切破坏塑性区。位于运输平巷上方的183上06(北)工作面采空区全部处于塑性破坏状态。
图6 方案一巷道塑性破坏区图
综上所述，未考虑水平应力运输平巷帮部无锚索支护时，受上煤层183上06(北)工作面采空区及183上07工作面采动影响，产生的应力叠加效应波及到运输平巷。巷道左右两帮最大水平位移均为150 mm，顶板下沉量为25 mm，底板底鼓量为50 mm，巷道塑性破坏形式以剪切破坏为主。
3.1.2 方案二
根据支护模拟方案，在靠近183上07工作面运输平巷帮部布置锚索，如图7所示。方案二的巷道水平位移和垂直位移云图分别如图8和图9所示。由图8和图9可知，巷道左帮最大位移量为90 mm，右帮最大变形量为145 mm。与巷道帮部未加锚索相比，左帮最大位移量降低了40%，巷道变形量明显减小；右帮未加锚索，但变形量基本相等。由此可见，左帮加锚索后，控制了围岩的塑性破碎状态，使巷道的变形量大幅降低。运输平巷左帮增加锚索后，巷道顶板下沉量为20 mm，底板底鼓量为50 mm，相对巷道帮部未加锚索，顶底板移近量变化不大。因此运输平巷左帮加锚索后，有效控制了左帮附近的围岩变形，但对巷道顶底板未产生明显的加固作用。
图7 方案二巷道支护效果图
图8 方案二巷道水平位移云图
图9 方案二巷道垂直位移云图
巷道帮部增加锚索后，围岩塑性破坏仍以剪切破坏为主，局部微小区域出现张拉破坏。由于左帮增加了锚索，帮部围岩体由原来松散的结构体转变为有承载能力相对完整的结构体，锚索的锚固作用提高了左帮围岩的承载能力和巷道稳定性，所以左、右帮的塑性破坏区分布呈现出不对称性，左帮的塑性破坏区范围明显小于右帮，如图10所示。
综上所述，在183下05工作面运输平巷靠近183上07工作面的帮部增加锚索后，与无锚索相比，左帮变形量减小了40%，而右帮变形量基本相等，顶底板移近量变化不大。由此可见，巷道帮部增加锚索后，锚索的锚固作用有效地提高了左帮围岩体的承载能力，改善了巷道围岩变形，缩小了巷道左帮的塑性破坏范围，有利于维护巷道帮部的稳定性，但对巷道顶底板没有明显的改善。
图10 方案二巷道塑性破坏区图
3.2 考虑水平应力围岩支护效果分析
3.2.1 方案三
方案三的巷道水平位移和垂直位移云图分别如图11和图12所示。由图11和图12可知，模型施加水平应力后，左帮最大水平位移为395 mm，右帮最大水平位移为406 mm。与未考虑水平应力相比，左帮水平位移变形量增加了163%，右帮水平位移变形量增加了146%。由此可知，考虑水平应力影响后，巷道帮部水平位移量明显增大。水平应力同样对顶底板移近量影响显著，顶板下沉量为240 mm，底板移近量为357 mm。与未考虑水平应力相比，巷道顶底板移近量明显增大，顶板最大下沉量增加了860%，底板最大底鼓量增加了614%。
图11 方案三巷道水平位移云图
与未考虑水平应力相比，运输平巷围岩塑性破坏区范围显著增大。在水平应力的影响下，巷道的顶板产生了“倒梯形”大面积破坏，巷道的底板也产生了大面积的塑性破坏区，如图13所示。右帮的塑性破坏面积较左帮更大，顶底板和帮部的塑性破坏以剪切破坏为主。由此说明，在考虑水平应力影响下，巷道围岩变形和塑性破坏范围显著增大，使巷道的维护难度加大。
图12 方案三巷道垂直位移云图
图13 方案三巷道塑性破坏区图
综上所述，考虑水平应力帮部无锚索时，与未考虑水平应力相比，左帮水平位移变形量增加了163%，右帮水平位移变形量增加了146%，顶板最大下沉量增加了860%，底板最大底鼓量增加了614%，巷道围岩变形量及塑性破坏范围显著增大，顶底板移近量增加最为显著。这是由于水平应力使巷道周围的煤岩体产生了应力集中，超出了煤岩体的承受极限，引发巷道变形和塑性破坏加剧，使巷道的维护难度进一步加大。
3.2.2 方案四
方案四的巷道水平位移和垂直位移云图分别如图14和图15所示。由图14和图15可知，运输平巷左帮增加锚索后，左帮最大位移量为300 mm，右帮最大位移量为395 mm，巷道顶板下沉量为210 mm，底板底鼓量为350 mm。与考虑水平应力帮部无锚索相比，左帮最大位移量减小了24%，右帮位移量变化不大；顶板下沉量减小了13%，底板底鼓量变化不大。与未考虑水平应力帮部加锚索相比，左帮最大位移量增加了200%，右帮最大位移量增加了172%，顶板变形量增加了950%，底板底鼓量增加了600%，巷道两帮位移量和顶底板移近量显著增大。
图14 方案四巷道水平位移云图
图15 方案四巷道垂直位移云图
巷道帮部加锚索后，巷道顶板产生了大范围的塑性破坏区，但底板塑性区比顶板塑性区破坏范围小。与考虑水平应力帮部无锚索相比，巷道的左帮和底板塑性破坏范围大幅减小，而巷道右帮和顶板塑性破坏区变化不大，这是由于左帮施加了高预紧力的锚索，锚索产生的锚固作用，缩小了左帮和底板附近的围岩破碎范围。与未考虑水平应力帮部加锚索相比，巷道左帮的塑性破坏范围变化不大，但巷道顶底板移近量和右帮的位移变化量增加显著，围岩塑性破坏仍以剪切破坏为主，并在水平应力作用下形成了大范围的塑性破坏区，如图16所示。
图16 方案四巷道塑性破坏区图
综上所述，考虑水平应力帮部加锚索时，与考虑水平应力帮部无锚索相比，左帮最大位移量减小了24%，右帮位移量变化不大，顶板下沉量减小了13%，底板底鼓量变化不大。与未考虑水平应力帮部加锚索相比，左帮最大位移量增加了200%，右帮最大位移量增加了172%，顶板变形量增加了950%，变形量增加了600%，巷道的左帮和底板塑性破坏范围大幅减小，而巷道右帮和顶板塑性破坏区变化不大。
与未考虑水平应力相比，考虑水平应力的影响时，无论巷道左帮有无锚索支护，巷道左右帮部变形量与顶底板移近量均显著增大，巷道围岩稳定性均有所降低，因此水平应力对于巷道的稳定性影响十分显著。
4 结论
(1)未考虑水平应力时，帮部加锚索支护与不加锚索相比，无锚索帮位移量和顶底板移近量变化不大，锚索帮变形量和塑性破坏区范围明显减小，有利于维护运输平巷帮部的稳定性。
(2)考虑水平应力帮部无锚索时，与未考虑水平应力帮部无锚索相比，巷道两帮变形量和顶底板移近量及塑性破坏范围均显著增大，顶底板移近量增加最为显著。考虑水平应力帮部加锚索时，与帮部无锚索相比，锚索帮变形量和顶板移近量减小，无锚索帮和底板位移量变化不大；与未考虑水平应力帮部加锚索相比，巷道的锚索帮和底板塑性破坏范围大幅减小，而巷道无锚索帮和顶板塑性破坏区变化不大。
(3)与未考虑水平应力相比，考虑水平应力的影响时，无论巷道左帮有无锚索支护，巷道两帮部变形量与顶底板移近量均显著增大，工作面巷道围岩的稳定性均有所降低，因此水平应力对于巷道的稳定性影响十分显著。
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Study on surrounding rock stability of deep close-distance roadway under the influence of horizontal stress
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