朱集西矿11-2 煤开采对13501 轨道顺槽围岩稳定性影响研究

毛基腾，王 治

（1.皖北煤电集团公司生产技术部，安徽 宿州 234000；2.皖北煤电集团恒源股份恒源煤矿，安徽 宿州 234099）

开采扰动是导致深部煤岩体发生变形、失稳的根本原因，而开采扰动特征与采动强度和采掘顺序密切相关。深地资源开发是我国发展战略。进入深部开采后，受“四高”环境影响，采动巷道围岩承受的应力越来越大，巷道周边岩体出现了明显的塑粘性变形和破坏，采动影响巷道施工及维护变得更加困难，严重影响矿井的安全生产。

由于受到采煤工作面推进引起的加卸载效应影响，采动巷道围岩一般处于非等压应力环境中，产生形态不规则的破坏区。近年来，众多学者围绕采动影响巷道围岩破坏机理与控制对策进行了大量研究。吴祥业等[1]针对双巷布置工作面留巷受重复采动影响围岩变形破坏严重等问题，探究了重复采动巷道塑性区时空演化规律及稳定控制；吕有广等[2]开展了不同开采速率下超千米采动应力显现规律及相应特征研究，分析了超千米深部矿井采动应力显现规律；张明等[3]探讨了超深井多煤层扰动下底板巷道变形的时空规律；贾后省等[4]对采动巷道围岩进行研究，得出采动空间不同位置围岩主应力大小、比值及方向明显不同；张俊文[5]对深部大规模松软围岩巷道的破坏分区进行了理论分析；蒋力帅等[6]基于围岩应力与采空区压实承载的耦合作用，研究了垮落带岩体压实承载的力学特征及参数反演方法。

分析以上文献得知，采动影响巷道围岩控制已经取得了丰硕的研究成果，但矿井地质条件多变，需针对具体工程条件具体研究。本文以朱集西矿13501 工作面为工程背景，采用数值模拟研究4 类不同采掘顺序下11-2 煤回采引起13501 工作面轨道顺槽围岩塑性区的变化规律，为确定合理采掘顺序提供指导依据。

1 工程概况

朱集西矿13-1 煤13501 工作面设计为倾斜长壁综采工作面，走向宽205 m，回采长度1 412 m，13501工作面布置在11-2 煤11051、11502 工作面上方。工作面布置平面图如图1 所示。11501 工作面宽216 m、长1 357 m，11502 工作面宽211 m、长1 320 m。11-2 煤与上覆13-1 煤间平均间距73.2 m，11-2 煤厚平均1.50 m，煤岩层平均倾角7°。13-1 煤距11-2 煤层底板平均间距91.4 m，工作面平均煤厚3.86 m，煤层平均倾角5°。13-1 煤直接顶岩性主要为泥岩，泥岩厚0~10.15 m，平均厚度4.68 m，深灰色，泥质结构；基本顶主要为粉砂岩，粉砂岩平均厚度7.16 m，灰色，粉砂质为主，局部夹细砂岩条带；直接底的岩性主要为泥岩及炭质泥岩，泥岩平均厚度5.16 m，灰色，中厚层状，炭质泥岩厚约0.4 m，灰黑色；老底的岩性主要为泥岩、粉砂岩，泥岩平均厚度8.6 m，裂隙发育，粉砂岩平均厚度6.6 m，灰色，粉砂质为主，局部夹细砂岩条带，水平层理。13-1煤及上覆综合柱状图如图2 所示。

图1 13501 工作面布置平面图

图2 13501 工作面覆岩综合柱状图

2 采动影响围岩塑性区演化规律

采动巷道围岩塑性区的扩展是一个动态演化过程，巷道受采动影响造成塑性区的扩展是一个动态演化过程，其过程可从其围岩塑性区随工作面推进发生改变和工作面推进距离一定、巷道围岩塑性区在不同位置产生分区破坏2 个方面去分析。根据现场开采顺序，采取控制变量的方法，对重复采动巷道围岩塑性区时空演化规律进行研究。

2.1 数值模型构建

根据朱集西矿13501 工作面地质条件，建立FLAC3D 数值分析模型。模型沿x 轴正方向依次为煤层边界、11501 回采工作面、区段煤柱、11502 回采工作面和煤层边界，模型中回采工作面长度均取214 m，留设8 m 小煤柱，煤层边界各取102 m，模型x 方向宽640 m。工作面沿y 轴正方向推进，模型y 方向长度为900 m，模型沿y 轴正方向将11502 工作面划分为16 个块体，每次回采100 m，模拟11502 工作面分步开挖。模型高度方向即z 方向，长度为150 m。模型网格最大尺寸为8 m，最小网格尺寸为1 m，共计1 260 000 个网格。11-2煤与13-1 煤垂直距离为70 m。模型4 个侧边设置位移边界条件，使水平方向不移动，模型底部设置固定边界，模型上边界施加20.8 MPa 均布荷载，模拟上覆岩层载荷。根据矿井地质资料设置模型x 向侧压系数1.4，y向侧压系数0.75。基于煤岩体破坏特征，选取应变软化模型开展相关模拟。数值模拟图如图3 所示。

图3 FLAC3D 三维数值模拟图

2.2 模拟结果分析

不同采掘顺序下围岩塑性区扩展形态是分析巷道变形机理的基础，可为合理确定采掘顺序提供指导。本文分析了4 类不同采掘顺序下13501 轨道顺槽围岩塑性区分布形态。采用平面应变模型进行11 煤回采对13501 工作面轨道顺槽围岩稳定性影响的分析，针对4类采掘顺序进行模拟分析，根据朱集西煤矿采掘地质条件建立模型，模型长度和高度与三维模型相同，不同的厚度方向，由于是平面应变条件，所以厚度方向为10 m，模型初始地应力及边界条件与三维模拟相同。

第一类采掘顺序为11502 工作面回采结束后，在11501 工作面停产线煤柱上方掘进13501 轨道顺槽。11502 工作面回采结束后在停产线外侧煤柱上方形成支承压力区，11501 工作面回采结束后同样在停产线外侧煤柱上方形成支承压力区，2 个支承压力区对13501 工作面轨道顺槽围岩造成叠加影响。用1.2 倍原岩应力进行煤柱上方巷道掘进模拟，13501 轨道顺槽围岩塑性区分布如图4 所示。

图4 13501 轨道顺槽围岩塑性区示意图

从图4 可以看出，13501 轨道顺槽开挖后，巷道围岩周围存在一定的破碎区，主要以剪切破坏为主，也有小范围的拉剪破坏，其中巷道左帮及右帮塑性区宽约为4.0 m，底板塑性区宽约为7 m，顶板塑性区宽约为5.2 m，塑性区分布范围整体呈现出均匀分布的形态。

第二类采掘顺序为11501 工作面回采结束后，先进行13501 轨道顺槽的掘进再进行11502 工作面回采。受11501 工作面回采影响结束后，13501 轨道顺槽接着受到11502 工作面的采动影响。用1.1 倍原岩应力进行煤柱上方巷道掘进模拟，13501 轨道顺槽围岩塑性区分布如图5 所示。

图5 13501 轨道顺槽围岩塑性区示意图

从图5 可以看出，13501 轨道顺槽周围有小范围的拉剪破坏，但大范围是剪切破坏。13501 轨道顺槽巷道顶板塑性区范围宽约为4 m，巷道底板塑性区范围约3.8 m，巷道左帮右帮的围岩塑性区宽约为5.3 m。说明13501 轨道顺槽受到掘进影响后，再受到11502 工作面采动影响，围岩塑性区变形范围增大，且塑性区范围呈不对称性，偏向11502 工作面一侧塑性区范围较大，而另一侧塑性区范围减小，采动影响较小。

第三类采掘顺序为13501 工作面轨道顺槽掘进的同时进行11-2 煤回采，掘进工作面与回采工作面交错，13501 轨道顺槽将受到采动与掘进叠加影响，用1.6 倍原岩应力进行煤柱上方巷道掘进模拟，13501 轨道顺槽围岩塑性区分布如图6 所示。

图6 13501 轨道顺槽围岩塑性区示意图

从图6 可以看出，13501 轨道顺槽围岩塑性区范围有所增大，13501 轨道顺槽巷道顶板塑性区宽约为4 m，巷道底板塑性区范围宽约为3.9 m，巷道两帮塑性区范围约5.3 m，在巷道围岩表面呈现出拉剪破坏，大范围塑性区呈现出剪切破坏。

第四类采掘顺序为11-2 煤回采引起的采动影响基本结束后再掘进13501 轨道顺槽。用1 倍原岩应力进行煤柱上方巷道掘进模拟，13501 轨道顺槽围岩塑性区分布如图7 所示。

图7 巷道围岩塑性区示意图

从图7 可以看出，13501 轨道顺槽围岩塑性区范围相对于第二类和第三类情况较小，其中13501 轨道顺槽顶板塑性区范围约3.5 m，巷道底板塑性区范围约3.8 m，而巷道两帮围岩塑性区范围宽约5 m，13501 轨道顺槽围岩塑性区范围内以剪切破坏为主，在巷道围岩0.5 m 范围内呈现拉剪破坏。

11-2 煤工作面回采后在工作面两侧及工作面前方形成支承压力区，而位于采空区上方岩层应力降低，不同的采掘顺序，13501 轨道顺槽围岩塑性区分布形态各异。综合数值模拟结果，基于围岩塑性区分布形态，4 类采掘情况下受采动影响巷道围岩稳定性由高到低分别为第四类、第二类、第一类和第三类，即11-2煤回采引起的采动影响基本结束后再掘进13501 轨道顺槽。

3 结论

11-2 煤工作面回采与上覆13051 轨道顺槽采掘顺序不同，造成巷道围岩塑性区分布形态各异。基于13051 轨道顺槽围岩塑性区分布形态，得到第四类采掘顺序产生的采动影响最小，即11-2 煤回采引起的采动影响基本结束后再掘进13501 轨道顺槽为最佳采掘顺序，为采区规划及生产布局提供指导依据。