孤岛煤柱巷道围岩大变形破坏机理研究_张浩.pdf

孤岛煤柱巷道围岩大变形破坏机理研究*张浩1,2，李英明1,2，陈天佑1,2（1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南232001;2.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南232001）摘要：针对刘庄矿120502孤岛煤柱巷道回采期间出现的大变形破坏情况，通过现场监测、理论分析、数值模拟等方法研究巷道围岩塑性区发育特征，从塑性区的形成和演变过程阐释孤岛煤柱巷道大变形破坏机理。结果表明：巷道围岩塑性区发育形态受双向主应力比影响，当主应力比较大时，塑性区形态呈蝶形分布且成蝶前后对主应力比敏感程度不同；塑性区形态成蝶后蝶叶旋转角度与主应力方向相关；相对于普通工作面，孤岛工作面回采期间受采空区侧向及工作面超前应力集中的叠加影响，主应力比增大，在巷道周围形成高偏应力环境，且最大主应力向采空区一侧偏转，使蝶叶旋转至巷道顶底和两帮位置，造成巷道围岩大变形破坏。关键词：孤岛煤柱巷道；大变形；蝶形塑性区；叠加应力场；数值模拟中图分类号：TD313文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 033 05Study on Large Deformation Failure Mechanism of Surrounding Rockin Isolated Coal Pillar RoadwayZHANG Hao1,2,LI Yingming1,2,CHEN Tianyou1,2(1.State Key Laboratory of Deep Coal Mine Mining Response and Disaster Prevention and Control，Anhui University ofScience and Technology，Huainan 232001，China；2.School of Mining Engineering，Anhui University of Science andTechnology，Huainan 232001,China)Abstract：In view of the large deformation and failure of 120502 isolated coal pillar roadway inLiuzhuang mine,the development characteristics of plastic zone of roadway surrounding rock arestudied through on-site monitoring,theoretical analysis and numerical simulation,and the largedeformation and failure mechanism of isolated coal pillar roadway is explained from the formation andevolution process of plastic zone.The results showed that:the development shape of plastic zone ofroadway surrounding rock is affected by the ratio of two-way principal stress,when the ratio ofprincipal stress is large,the shape of plastic zone is butterfly distribution,and the sensitivity to theratio of principal stress is different before and after butterfly formation;the rotation angle of butterflyleaf is related to the direction of principal stress;compared with the ordinary working face,during themining of the isolated island working face,affected by the superposition of the lateral stressconcentration of the goaf and the advance stress concentration of the working face,the principal stressratio increases,forming a high deviatoric stress environment around the roadway,and the maximumprincipal stress deflects to one side of the goaf,causing the butterfly leaf to rotate to the top and bottomof the roadway and the two sides of the roadway,resulting in large deformation and damage of thesurrounding rock of the roadway.Key words:isolated coal pillar roadway;large deformation;butterfly plastic zone;superimposed stressfield;numerical simulation第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0060引言作为世界上最大的煤炭资源生产国和消费国，如何提高煤炭回收率是一个值得长期思考和探索的问题。孤岛工作面开采大大降低了煤炭损失率，能够尽量多地开采出遗留煤炭资源，但同时会给工作面带来剧烈的矿压，巷道围岩变形严重难以支护等一系列问题。目前，国内外许多学者已经对孤岛工作面矿压显现的规律及巷道破坏的特征展开了大量研究，并取得了众多研究成果，秦忠诚等对东滩煤矿4303深井孤岛综放面跨采软岩巷道的支护技术、支*国家自然科学基金项目（51874002；52174102）；安徽省重点研发计划项目（2022m07020007）；安徽理工大学研究生创新基金（2021CX2014）33承压力分布及其在底板中的传递规律进行了深入研究；王同旭等采用数值模拟和雷达探测相结合的方法对孤岛煤柱的侧向支承压力分布规律进行了研究；华心祝等通过建立孤岛工作面沿空掘巷基本顶力学模型，推导出动压作用下巷道顶板下沉量的计算公式。另有研究表明，巷道围岩变形的实质是由围岩塑性区导致，塑性区的大小和形态变化决定了巷道围岩的破坏程度。马念杰等将塑性区理论计算推广到双向不等压条件下，得到了圆形孔洞蝶形塑性区理论计算公式，认为在高偏应力作用下，巷道围岩塑性区将会呈现蝶状分布，且蝶叶方向伴随主应力方向变化而发生偏转。此外，另有众多学者对动压巷道围岩破坏及稳定性支护作出大量研究。本文以刘庄煤矿120502孤岛工作面为研究背景，运用FLAC3D数值模拟软件对120502孤岛工作面进行数值建模，研究孤岛煤柱巷道区域应力场主应力分布特征，分析孤岛煤柱巷道变形破坏机理。研究结果对于完善和发展孤岛煤柱巷道围岩控制理论具有指导意义。1工程背景1.1工程概况120502工作面位于刘庄煤矿一水平东二采区，主采5煤层，平均煤厚4 m，平均倾角4。工作面东部临近XL2陷落柱，西接东二5煤采区集中上山，南邻120503工作面采空区，北靠120501工作面采空区，两侧采空区各留有20 m区段煤柱，工作面平均标高-610 m，走向长度990 m，倾向长度290 m。工作面直接顶和直接底为泥岩，基本顶为细砂岩，工作面综合柱状图如图1所示。图1工作面综合柱状1.2孤岛煤柱巷道破坏特征刘庄矿120502孤岛工作面掘巷期间，相邻采空区上覆岩层垮落已经基本稳定，巷道围岩虽然受到侧向采空区支承压力的影响并产生变形，但变形量相对较小，常规的锚网索支护即可满足巷道稳定性控制。工作面进入回采阶段后，由于受孤岛工作面沿空侧支承压力与采动影响下工作面超前支承压力叠加作用的双重影响，巷道顶板下沉、底鼓、帮鼓现象明显。回采期间120502工作面轨道顺槽表面位移和巷顶深部位移观测结果如图2和图3所示。图2表面位移观测曲线图图3巷顶深部位移观测曲线图由图2可知，回采期间，受采动影响塑性区恶性扩展，巷道顶底最大位移达1 600 mm以上，两帮移近量达到1 000 mm以上，巷道整体变形破坏严重。由图3可知，巷顶深部岩体离层明显，塑性区发育充分，深部围岩破碎明显。2巷道塑性区蝶形演化机制2.1蝶形塑性区理论模型巷道围岩破坏的本质是因为在巷道周围形成了一定范围的塑性流动区域，应力水平的增加使得围岩塑性破坏向深部岩体扩张。依据文献的相关研究，环形巷道围岩塑性区理论被广泛应用于建立巷道围岩塑性区平面应变圆孔模型，本文建立模型如图4所示。根据弹性力学理论，双向不等压应力场中圆形孔洞围岩某一点的应力解如下：孤岛煤柱巷道围岩大变形破坏机理研究张浩，等第42卷第03期Vol.42 No.03煤岩名称柱状厚度/m砂质泥岩中粒砂岩细砂岩泥岩粉砂岩砂质泥岩粉砂岩泥岩煤线5煤泥岩细砂岩煤线粉砂岩5.83.92.86.42.21.57.24.40.94.01.68.70.45.6100806040200距离工作面距离/m两帮移近量顶底板移近量移近量/mm1 8001 6001 4001 2001 0008006004002001 m深基点2 m深基点3 m深基点4 m深基点6 m深基点8 m深基点90807060504030201001 000800600400200距离工作面距离/m深部位移累计值/mm34围岩内任一点的径向应力r=p12(1+p3p1)(1-R02r2)-(1-p3p1)(1-4R02r2+3R04r4)cos(2)（1）围岩内任一点的环向应力=p12(1+p3p1)(1+R02r2)-(1-p3p1)(1+3R04r4)cos(2)（2）围岩内任一点的剪应力r=p12(1-p3p1)(1+2R02r2-3R04r4)sin(2)（3）式中p1区域应力场最大主应力，MPa；p3区域应力场最小主应力，MPa；R0圆巷孔洞半径；r，任一点极坐标。图4巷道围岩塑性区平面应变圆孔模型将圆形孔洞某一点的弹性应力代到塑性准则条件中，整理出圆形孔洞围岩塑性条件方程(r-2)2+r2-(r+2)2sin2-c(r+)sincos-c2cos2=0（4）式中c岩石黏聚力；岩石内摩擦角。将式（1）式（3）极坐标中圆形孔洞一点处的弹性应力代入式（4）中，得到非等压应力环境下圆形巷道围岩塑性区边界线近似表达式9(1-p1p3)2(R0r)8+-12(1-p1p3)2+6(1-p12p32)cos(2)(R0r)6+10(1-p1p3)2cos2(2)-4(1-p12p32)2sin2 cos2(2)-2(1-p1p3)2sin2(2)-(1-p12p32)cos(2)+(1-p1p3)2(R0r)4+-4(1-p12p32)cos(4)+2(1-p12p32)cos(2)-4(1-p12p32)sin2 cos2(2)-4c(p3-p1)sin(2)cos(2)p32(R0r)2+(1-p1p3)2-sin2(1+p1p3+2ccos p3sin)2=0（5）由式（5）可知，巷道围岩塑性区半径与双向主应力之比、巷道半径、岩石内摩擦角和岩石内聚力有关。本文针对刘庄矿120502孤岛煤柱巷道围岩在一定力学参数和巷道尺寸条件下，研究主应力比及方向对巷道围岩塑性区形态变化的影响