大断面巷道非均匀变形规律及稳定性控制_王栋栋.pdf

大断面巷道非均匀变形规律及稳定性控制王栋栋1，张盈2（1.河北能源职业技术学院 矿产资源与建工系，河北 唐山063000；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山063000）摘要：为探究受采动影响下的大断面巷道围岩变形规律与稳定性控制，以某矿9103运输巷为背景，采用现场观察及数值模拟方法分析“一掘一采”期间大断面巷道的围岩应力、塑性区、位移分布特征，并结合现场提出了补强支护方案。结果表明：该类大断面巷道围岩垂直应力分布呈明显的非对称性，巷道距离相邻工作面越近，煤柱帮塑性区域越大，工作面离巷道距离越近，巷道围岩位移量越大。通过对巷道肩角及煤柱帮进行针对性加强支护后，巷道围岩变形情况能够保证工作面的安全回采。关键词：大断面巷道；非均匀变形；一掘一采；围岩控制中图分类号：TD322文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 054 04Non-uniform Deformation Law and Stability Control of Large SectionRoadwayWANG Dongdong1,ZHANG Ying2(1.Department of Mineral Resources and Construction Engineering,Hebei Energy College of Vocation and Technology,Tangshan 063000,China;2.Mining Engineering College,North China University of Science and Technology,Tangshan063000,China)Abstract：In order to explore the deformation law and stability control of surrounding rock of largesection roadway under the influence of mining,taking 9103 transportation roadway of a mine as thebackground,the field observation and numerical simulation methods are used to analyze the distributioncharacteristics of surrounding rock stress,plastic zone and displacement of large section roadway duringone excavation and one mining,and the reinforcement and support scheme is put forward incombination with the field.The results show that the vertical stress distribution of surrounding rock ofthis kind of large section roadway is obviously asymmetric.The closer the roadway is to the adjacentworking face,the larger the plastic area of coal pillar wall,the closer the working face is to theroadway,and the greater the displacement of surrounding rock of the roadway.After strengthening thetargeted support of roadway shoulder angle and coal pillar wall,the deformation of roadway surroundingrock can ensure the safe mining of the working face.Key words:large section roadway;non-uniform deformation;one excavation and one mining;surroundingrock control第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0130引言沿空掘巷具有改善巷道应力环境、提高煤炭采出率等优点，目前在我国应用广泛。为避免巷道掘进时巷道围岩稳定性受相邻工作面采动影响，一般需要在相邻工作面采动结束稳定后开始掘进，但当采掘接替紧张时，在相邻工作面采动时就已开始在采空区一侧相迎掘巷，称为迎采动掘巷。在这“一掘一采”期间大断面巷道围岩往往在巷道开始掘进时就会出现巷道非均匀变形剧烈，维护困难等问题。目前的研究中，在沿空掘巷煤柱宽度的留设和支护参数的设置方面已有了丰硕的成果，但在该工况下的大断面巷道研究还较少。本文以9104运输巷为背景，通过数值模拟、现场监测等手段对大断面巷道非均匀变形的应力分布规律、围岩变形破坏规律进行系统研究，最终提出支护方案并应用现场，以期为类似工程提供借鉴。1工程背景1.1工作面概况9104工作面布置在9#煤层中，煤层倾角为近水平煤层，采高3.5 m，顶为复合顶板，以炭质泥岩和砂质泥岩为主，承载能力较低。9104运输巷与9103回风巷之间预留13 m的保护煤柱。由于工作面接54替紧张，9103工作面正在回采时，9104工作面运输巷与9103工作面相迎掘巷，掘进断面为矩形，断面宽高=4.8 m3.5 m，在巷道与9103工作面回采位置相距40 m时巷道围岩开始出现严重变形。巷道与工作面位置相对示意图如图1所示。图1工作面巷道布置图1.2大断面巷道围岩变形特征根据现场观察，离9103工作面距离越近，巷道两帮变形量越大，且巷道煤柱帮变形量均大于实体煤帮，且部分区域变形量远大于实体煤帮，巷道围岩变形呈明显不对称分布。巷道顶板整体不算破碎，但承载能力较低，多为剪切破坏。此时9103工作面回采部分还未与9104运输巷掘进面迎头相交，巷道就已开始出现变形，且变形速率较快。离9103工作面约70 m后，围岩变形量即开始减小，距离较远处巷道围岩变形量较小。1.3巷道顶底板岩性分析对9104巷道顶底板及煤体进行取样，加工成标准试样在实验室进行试验，测得巷道围岩煤岩体物理力学参数如表1所示。表1煤岩体物理力学参数因9104巷道顶板为复合顶板，以泥岩及砂质泥岩为主，在实验室试验后也确定煤岩体强度较低，加之巷道断面跨度较大，在相邻工作面相迎回采时造成的强动压影响下可能出现大变形的情况。2巷道围岩变形破坏数值分析2.1模型建立本节采用FLAC3D数值模拟软件系统分析掘进过程中9104运输巷的垂直应力、塑性区及位移的变化规律。模型尺寸长宽高=240 m120 m118 m，如图2所示。煤层为近水平煤层，煤层厚度设定为3m，采用一次采全高采煤方法。模型顶部为自由边界，其余为固定边界，上部岩层采用施加等效载荷的方式。数值计算采用的岩体力学参数见表1。为研究9104运输巷掘进工作面前后方围岩变化情况，先将9103工作面和9104运输巷沿Y轴相反方向开挖20 m。图2数值模拟模型图2.2不同位置巷道围岩垂直应力分析工作面前方40、20 m和与工作面相平、工作面后方20 m垂直应力图如图3所示，由图3可以看出，当掘进工作面距9103工作面40 m时，9104运输巷此时两帮应力大小相差不大，但煤柱位置处高应力范围明显多于实煤体方；当掘进工作面距9103工作面20 m时，9104运输巷两帮应力集中范围开始出现变化，煤柱帮应力集中范围明显大于工作面帮，且煤柱上方应力增高范围开始向9103工作面方向偏移；当掘进工作面与9103工作面相平时，9104运输巷煤柱帮部高应力范围已出现明显的增大，此时巷道煤柱帮已全部处于应力增大区域；当工作面推过巷道处于工作面后方20 m时，9104运输巷两帮应力大小明显增大，巷道煤柱帮应力达到18 MPa，工作面帮应力达到16 MPa。因此，随着9103工作面与9104运输巷之间的距离减小，9104运输巷应力升高区范围与大小都呈现明显差别，说明工作面的采动对巷道造成了一定的应力干扰。2.3不同位置巷道围岩塑性区分布工作面前后方塑性区分布如图4所示，由图4可以看出，当掘进工作面距离9103工作面40 m时，煤柱塑性破坏范围正常，巷道围岩破坏基本呈对称分布，且此时巷道围岩破坏不算严重，仅巷道围岩表面部分破坏；当掘进工作面距离9103工作面20 m时，此时9104运输巷两肩角处塑性破坏范围开始增大；当工作面推进与巷道相平时，9104运输巷、煤柱帮肩角处由拉伸破坏变为剪切破坏，煤柱帮塑性破坏区域显著增大，且巷道两帮塑性破坏呈非对称分布，巷道工作面帮塑性区变化不大；当工作面推过巷道距离工作面后方20 m时，此时9104运输巷煤柱帮塑性破坏范围增大，且煤柱塑性破坏范围也相应增大。由此可以看出，随着9103工作面和9104运输巷距离的减小，9104运输巷围岩塑性范围增大，大断面巷道非均匀变形规律及稳定性控制王栋栋，等第42卷第02期Vol.42 No.02泊松比0.220.230.250.240.32密度/gcm-33.292.702.572.141.75岩石名称中粒砂岩细粒砂岩砂质泥岩泥岩9#煤弹性模量/GPa26.827.010.67.82.6内聚力/MPa10.602.705.901.651.28内摩擦角/()39.030.042.025.435.29103工作面9104运输巷沿空掘巷120 m240 m118 m559103工作面的回采对9104运输巷的围岩塑性区域变化产生了一定的影响。（a）工作面前方40 m（b）工作面前方20 m（c）巷道与工作面相平（d）工作面后方20 m图3工作面前后方应力变化图（单位：MPa）2.4工作面前后方围岩变形规律巷道掘进和邻近工作面回采时的巷道围岩变形情况如图5所示。由图5可以看出，在相邻工作面前方时，随着距相邻工作面的距离越近，巷道围岩的变形量越大。工作面后方随着过工作面的距离越远，围岩变形量越大，其中煤柱帮变形量远大于顶板和工作面帮，工作面帮部变形量最小。结合工作面前后方塑性图分析，这是由于迎采期间煤柱帮塑性面积逐渐增大，承载能力降低，且由于相邻工作面回采时关键块回转下沉导致载荷传递到巷道煤柱帮，造成了巷道煤柱帮失稳，顶板急剧下沉。（a）工作面前方40 m（b）工作面前方20 m（c）巷道与工作面相平（d）工作面后方20 m图4工作面前后方塑性区分布图大断面巷道非均匀变形规律及稳定性控制王栋栋，等第42卷第02期Vol.42 No.02SZZ9104运输巷9103回风巷10101010101212121210108420181614121086420SZZ201816141210864209104运输巷9103回风巷101010101010121414146121441412128610SZZ201816141210864202224269104运输巷9103工作面1210864141214101241414161000101414141624184128824SZZ201816141210864202224269104运输巷9103工作面101210866816181414161212121818241610866420tension-n tension-ptension-n shear-p tension-ptension-pshear-p tension-pshear-pshear-n shear-p tension-pshear-n shear-pNoneColorby:Stat