高家堡煤矿高水平应力作用下巷道围岩变形研究

摘要：为研究高家堡煤矿高水平应力作用下巷道围岩变形特征，对高家堡煤矿进行了地应力测量，结果表明，高家堡煤矿以水平应力为主，最大水平主应力为38.67 MPa，方位角为227.30°。对巷道轴向与最大水平主应力方向夹角不同的2条回风巷围岩变形进行了数值模拟和现场实测，结果表明：当巷道轴向与最大水平主应力方向夹角为12°时，塑性区分布在巷道周边附近，呈椭圆状；当巷道轴向与最大水平主应力方向夹角为78°时，顶板塑性区向巷道两角斜上方发展，出现类似方形的塑性区；巷道顶底板的破坏程度大于两帮；巷道轴向与最大水平主应力方向夹角越大，围岩变形越大。

0引言

近年来，随着浅部煤炭资源的减少，许多煤矿进入深部开采状态，深部巷道往往面临高地温、高地应力、煤与瓦斯突出等灾害威胁[1]。在构造地质的作用下，深部岩体的水平应力一般高于垂直应力[2]，由高水平应力引发的巷道失稳、冲击地压事故越来越多，如何保证高水平应力作用下深部巷道围岩稳定性已成为矿山开采亟待解决的难题[3]。本文以高家堡煤矿103回风巷和202回风巷为工程背景，结合地应力实测结果，运用FLAC3D数值模拟软件建立了巷道开挖模型，研究了巷道轴向与最大水平主应力方向夹角不同的2条回风巷在高水平应力作用下的围岩变形特征，并对回风巷在采动影响下的围岩变形进行了现场监测，验证了数值模拟的可靠性。

1工程概况

高家堡井田地表大面积为黄土层所覆盖，沟谷中出露的白垩系产状较为平缓。地质填图资料及钻孔揭露表明，白垩系构造层走向NE，倾向NW。主要含煤地层侏罗系为隐伏构造，煤层埋深1 000 m左右。含煤地层总体趋势为南高北低、东高西低，其上组岩层为背斜构造，背斜轴向NE。

利用陕西及邻区发生的地震的震源机制解资料研究了高家堡煤矿现代构造应力场及其分区特征[4-5]：主压应力轴方位一般为NEE-SWW，其平均方位角为83.6°±10°；主张应力轴方位一般为NWW-NEE，其平均方位角为172.3°±8°。

高家堡煤矿103工作面与202工作面开采4号煤层，开采深度约为1 000 m，煤层厚度约为12 m，煤层倾角平均为5°，煤体内生裂隙发育，煤层沉积稳定。103回风巷、202回风巷掘进方向的方位角分别为125°和215°，2条巷道相互垂直布置。103回风巷和202回风巷掘进断面为矩形，掘进时留设1 m多的底煤。

2地应力测量

结合高家堡煤矿地质条件和井下条件，地应力测量采用空芯包体式应力解除法[6-9]，测点布置如图1所示。

图1 地应力测点布置
Fig.1 Location of geostress measuring points

表1 地应力测量结果

Table 1 Measurement results of geostress

从表1可看出：高家堡煤矿地应力场以水平应力为主，属于水平应力场类型，该类型地应力场对巷道顶底板的稳定较为不利；高家堡煤矿最大水平主应力为38.67 MPa，大于30 MPa，属于超高地应力区[10-11]；高家堡煤矿最大水平主应力方位角为227.30°。

3数值模拟分析

采用FLAC3D 5.0数值模拟软件建立巷道开挖模型，分析103回风巷和202回风巷开挖后围岩应力状态和位移变化。模型长×宽×高为100 m×60 m×42 m，模型的宽度、长度、高度方向分别为X，Y，Z轴。矩形巷道位于模型中部，巷道长×宽×高为80 m×6 m×4 m。模型采用摩尔-库仑破坏准则，各岩层物理力学参数见表2。

根据地应力测量结果，最大水平主应力为38.67 MPa，垂直主应力为23.89 MPa，最小水平主应力为8.5 MPa。103回风巷轴向与最大水平主应力方向夹角为78°，202回风巷轴向与最大水平主应力方向夹角为12°。模型上表面施加均匀的垂直应力，模型X轴与Y轴方向两侧面施加分解后的水平应力，模型下表面固定，没有位移，考虑实际情况，同时计入重力影响，应力分量见表3。

表2 岩层物理力学参数

Table 2 Physico-mechanical parameters of strata

表3 应力分量

Table 3 Stress component MPa

为了解巷道开挖后围岩应力应变调整状况，对103回风巷和202回风巷进行开挖不支护模拟[12-15]。

103回风巷塑性区分布云图、两帮位移分布云图、顶底板位移分布云图分别如图2—图4所示。由图2(图中每格代表1 m)可知，顶板浅部围岩受剪应力和拉应力作用发生塑性破坏，顶板深部围岩主要受剪应力作用发生剪切破坏，顶底板塑性破坏的最大深度为4 m，两帮塑性破坏的最大深度约为3 m，顶板塑性区向巷道两角斜上方发展，出现类似方形的塑性区。由图3和图4可知:左帮移近量为62.3 mm，右帮移近量为62.4 mm，两帮相对收敛值为124.7 mm；顶板向下位移67.2 mm，底板向上位移86.5 mm，顶底板相对收敛值为153.7 mm。

图2 103回风巷塑性区分布云图
Fig.2 Distribution nephogram of plastic zone of 103 return airway

图3 103回风巷两帮位移分布云图
Fig.3 Distribution nephogram of two sides displacement of 103 return airway

图4 103回风巷顶底板位移分布云图
Fig.4 Distribution nephogram of roof and floor displacement of 103 return airway

202回风巷塑性区分布云图、两帮位移分布云图、顶底板位移分布云图分别如图5—图7所示。由图5(图中每格代表1 m)可知，巷道开挖后，原有应力被扰动，顶底板受剪应力和压应力作用发生塑性破坏，破坏区域深度约为3 m，巷道两帮主要受剪应力作用发生剪切破坏，破坏区域深度约为2 m，巷道围岩破坏区域呈椭圆状。由图6和图7可知:左帮移近量为65.7 mm，右帮移近量为65.8 mm，两帮相对收敛值为131.5 mm；顶板向下位移58.9 mm，底板向上位移65.7 mm，顶底板相对收敛值为124.6 mm。

图5 202回风巷塑性区分布云图
Fig.5 Distribution nephogram of plastic zones of 202 return airway

将103回风巷和202回风巷的数值模拟结果进行对比可知：103回风巷和202回风巷开挖后，围岩向开挖临空面方向移动，围岩破坏形式主要是剪切破坏：2条巷道的顶底板塑性破坏程度均大于两帮，最大水平主应力对巷道顶底板的影响较大；103回风巷围岩塑性破坏程度和围岩移近量大于202回风巷，即巷道轴向与最大水平主应力方向的夹角越大，巷道围岩变形越严重。

图6 202回风巷两帮位移分布云图
Fig.6 Distribution nephogram of two sides displacement of 202 return airway

图7 202回风巷顶底板位移分布云图
Fig.7 Distribution nephogram of roof and floor displacement of 202 return airway

4巷道收敛监测分析

对103回风巷和202回风巷从开始掘进到围岩变形稳定进行监测，结果如图8、图9所示。从图8、图9可看出：103回风巷两帮最大移近量为124 mm，顶底板最大移近量为83 mm，两帮最大收敛速率为7 mm/d，顶底板最大收敛速率为10 mm/d；202回风巷两帮最大移近量为94 mm，顶底板最大移近量为73 mm，两帮最大收敛速率为6 mm/d，顶底板最大收敛速率为5 mm/d。现场观测时，103回风巷处经常听到煤炮声，出现多根锚杆、锚索破断，202回风巷处锚杆、锚索没有出现任何破坏现象。103回风巷围岩变形程度大于202回风巷，验证了数值模拟的可靠性。

图8 103回风巷围岩移近量监测结果
Fig.8 Monitoring result of surrounding rock displacement of 103 return airway

图9 202回风巷围岩移近量监测结果
Fig.9 Monitoring result of surrounding rock displacement of 202 return airway

5结论

(1) 高家堡煤矿地应力场以水平应力为主，属于水平应力场类型，该类型地应力场对巷道顶底板的稳定较为不利；高家堡煤矿最大水平主应力为38.67 MPa，属于超高地应力区；最大水平主应力方位角为227.30°。

(2) 巷道数值模拟和收敛变形实测结果表明：当巷道轴向与最大水平主应力方向夹角为12°时，巷道围岩变形破坏程度较小，塑性区分布在巷道周边附近，呈椭圆状；当巷道轴向与最大水平主应力方向夹角为78°时，巷道围岩变形破坏程度较大，顶板塑性区向巷道两角斜上方发展，出现类似方形的塑性区。因此布置巷道时应减小与最大水平主应力夹角，同时加强巷道边角的支护。当由于地质构造原因，巷道轴向与最大水平主应力方向夹角较大时，应加大锚杆、锚索长度，提高预紧力，增强支护。

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Research of deformation of roadway surrounding rock under effect of high horizontal stress in Gaojiapu Coal Mine

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract:In order to study deformation characteristics of roadway surrounding rock under effect of high horizontal stress in Gaojiapu Coal Mine, geostress of Gaojiapu Coal Mine was measured. The results indicate that Gaojiapu Coal Mine is dominated by horizontal stress. The maximum horizontal principal stress is 38.67 MPa and azimuth angle is 227.30°. Numerical simulation and field test of surrounding rock deformation of two return airways with different angles between roadway axis and the maximum horizontal principal stress direction were conducted. The results show that distribution of plastic zone is near the roadway surrounding and shows oval shaped when angle between the roadway axis and the maximum horizontal principal stress direction is 12°. Plastic zone of roof develops on top corners of the roadway and is similar to square when angle between the roadway axis and the maximum horizontal principal stress direction is 78°. The damage degree of roadway roof and floor is higher than that of two sides, and the larger the angle between the roadway axis and the maximum horizontal principal stress direction, the greater the deformation of surrounding rock.

Key words:coal mining; deformation of surrounding rock; geostress; horizontal stress

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171027.0906.012.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51379116，51574156)；山东科技大学2017年研究生科技创新资助项目(SDKDYC170204)。

作者简介：朱柳(1992-)，男，安徽淮南人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力，E-mail:877538086@qq.com。

引用格式：朱柳.高家堡煤矿高水平应力作用下巷道围岩变形研究[J].工矿自动化，2017,43(11)：58-62.

ZHU Liu.Research of deformation of roadway surrounding rock under effect of high horizontal stress in Gaojiapu Coal Mine[J].Industry and Mine Automation，2017,43(11)：58-62.