急倾斜重复采动沿空软岩巷道无支护条件下变形破坏分析

急倾斜重复采动沿空软岩巷道无支护条件下变形破坏分析

康虹，刘勇

康虹，刘勇

(广旺能源发展有限责任公司赵家坝煤矿，四川旺苍628200)

作者简介：康虹，（1974—），四川蓬溪人，汉族，采矿工程师，广旺公司赵家坝煤矿副总工程师。

摘要:基于赵家坝煤矿9#煤层沿空软岩回采巷道围岩稳定性控制，采用大型岩土工程专用软件FLAC4.0，利用该程序对在9#煤层沿空软岩巷道无支护状态下的变形破坏特征进行了数值模拟分析，确定了巷道围岩在无支护的状态下变形破坏基本特征。

关键词:急倾斜煤层；重复采动；软岩；无支护条件；变形破坏

0引言

赵家坝煤矿9#煤层沿空软岩巷道煤层赋存角度为55°以上，巷道在掘进过程中变形破坏严重，部分区域顶底板移近量接近1m左右，两帮煤岩体松散破碎，具有明显的非对称性，通常需多次维修才能勉强维持巷道基本稳定，维修投入费用高，加之巷道为两个采面服务后将受到多次采动影响，巷道稳定性维护更加困难，严重影响正常生产。因此，研究和掌握急倾斜重复采动软岩巷道失稳破坏演化规律是巷道支护设计亟需解决的关键之所在。深入分析赵矿急倾斜煤层沿空软岩巷道在无支护条件下变形破坏机理，为巷道支护方案设计提供科学可靠设计依据采具有重要的实际意义。

1工程概况

赵家坝煤矿地质条件复杂，煤岩层的层理和节理高度发育，呈现出松软破碎的特性。目前可采煤层自上而下依次为九号、十号、十一号、十二号层煤，煤层倾角大（平均倾角在55º以上），且煤层距离近，其中九号煤层与十号煤层的层间距约为2.01m。根据煤层赋存情况及开采技术条件，该矿采用采区前进，区内后退式回采的俯伪斜走向长壁采煤法，如先采上层煤九号煤层，后采下一层煤十号煤层，上、下层保持一定的超前距离；回采巷道主要采用沿空留巷，即上一区段工作面的运输平巷留作下一区段工作面的回风平巷，因此，沿煤层布置的回采巷道至少受到两次以上采面回采的影响。

赵家坝煤矿9#煤层平均厚度为1.0m，平均倾角约为55°。该煤层回采巷道围岩在掘进过程中变形破坏严重，顶底板最大移近量超过1m，两帮煤岩体松散破碎，通常需多次维修才能勉强维持巷道基本稳定，维修投入费用高；加之巷道受多次采动影响，巷道稳定性维护更加困难，严重影响安全使用。

2无支护条件下巷道变形破坏分析

巷道开挖后，引起围岩应力变化，破坏原岩应力平衡状态，围岩应力分布变化明显，围岩应力释放明显，主要表现在以下几方面：

（1）重复采动影响

9#煤层巷道要经过初掘、上方九#煤层回采工作面回采和下方九号煤层工作面回采等不少于三次大的采动影响，且开采扰动具有时空特征。因此，巷道围岩失稳破坏是一个十分复杂的时间和空间问题。随着上方9#煤层的采出，巷道顶板原岩应力释放，即卸荷扰动，使其顶底板围岩受到开采扰动，产生裂隙或甚至发生破坏，从而降低了巷道顶底板岩层和下层煤层的整体强度；同时，导致巷道顶两侧形成非对称应力分布特征。巷道在掘进过程中，由于顶板岩层相对坚硬，而底板煤岩层较软对应力吸收能力强，导致靠近顶板侧围岩应力集中程度大，而靠近底板处应力释放较明显，加之围岩节理发育、遇水、风崩解特性，造成巷道底角臌起和靠近煤层顶板侧围岩发生破坏。巷道处于基本稳定状态后，由于赵家坝煤矿急倾斜近距离薄煤层群采用上、下煤层保持一定错距联合开采，即在上区段工作面回采过程中，下区段工作面回采巷道要经过上区段工作面长时间的开采扰动；同理，在下区段工作面开采时，作为回风巷道亦受到下区段工作面长时间的开采扰动。总之，9#煤层巷道在服务期限内须经历多次开采扰动，且采动影响的时间长短不一和空间位置各异，即具有时空特征，导致巷道在每次开采扰动时受力特征不同。随着上下区段煤层开采，巷道附近则处于上下采场顶板拱结构拱脚处，同时产生剪切下挫，导致围岩变形破坏具有非对称性，呈现“底板隆起，顶板下滑”的相互错动变形特征。

（2）围岩水平应力变化特征

巷道开掘后，巷道左帮水平应力释放明显，在靠近帮部范围内（3m左右），围岩应力轮廓呈现半圆状分布，随着向深部延伸应力轮廓呈不规律分布；巷道右帮水平应力分布特点与左帮相似，但低应力范围较左帮小；底板亦存在小范围低水平应力区，顶部零应力特征不明显，高水平应力集中区域处于巷道顶部直接顶与老顶的接触面上，且影响范围较大，最大应力值达到11MPa，右帮靠近老顶的岩体也出现水平应力集中，但应力值较小。

（3）围岩垂直应力变化特征

巷道开掘后，巷道围岩应力分布特征与岩层赋存特征具有明显的一致性，其中巷道附近煤岩层大范围应力释放明显，靠近巷道表面围岩的垂直应力值接近零值，其中顶板和底板低应力轮廓向深部岩体延伸范围较大，两帮相对较小；高应力集中区域位于巷道右帮老顶岩层内，最大值达到20MPa，左帮应力集中程度较低，且距离帮部较远。

（4）位移矢量特征

巷道初掘后，巷道左侧整体变形较右侧大，即两侧变形呈现明显的非对称性，最大变形出现在底部，位移量达到0.617m，底臌明显，左帮位移量次之，最大值为0.4m左右。同时，左帮偏上区域的大部分岩层均出现大幅度的运移。

（5）塑性区变化特征，

巷道初掘后，巷道围岩破坏范围较大，其中靠近左帮巷道破坏深度较大，最大值达到6m左右，以剪切破坏为主；底板和左帮表面围岩以拉伸破坏为主，底板拉伸破坏深度较大（最大值为1m）；同时可以看出，在急倾斜煤层巷道开挖过程中，围岩的塑性破坏具有明显沿岩层赋存方向延伸的特点，由于不同岩层具有不同的塑性破坏特性，所以其塑性破坏深度也有所不同，伪顶岩层塑性破坏范围沿倾斜方向延伸范围最大。

3结论

1）采用大型岩土工程专用软件FLAC4.0对在9#煤层沿空软岩回采巷道无支护状态下的变形破坏特征进行数值模拟分析和理论分析相结合的手段确定了巷道围岩在无支护状态下的变形破坏基本特征，为沿空软岩回采巷道支护方式的选择和参数的确定提供了重要参考资料。

2）结合以上数值模拟分析和理论分析结果，巷道右帮位移变化较大位置处于伪顶岩层层位，即右帮中部，靠近底板的帮部位移次之，右帮上部的位移最小；垂直位移曲线表明巷道底板中部的位移最大，底板两侧靠近帮部位移较小，顶板围岩位移变化幅度不大。

参考文献

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