楊自友，蔡永彬，程長清，趙春堂
（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；
2.中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）
煤礦行業(yè)發(fā)展多年，常年開采使得煤礦的深度越來越大，地層結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。深度較大的礦井?dāng)?shù)量占世界礦井總量的大多數(shù)，深部煤層開采后的應(yīng)力變化情況比淺部煤層復(fù)雜得多，對其近處已開采巷道穩(wěn)定性的影響非常大，甚至?xí)绊戦_采煤層和巷道的安全。所以，開采深度大的煤層需要考慮多重因素，尤其是開采煤層近距離處存在交叉巷道的工程作業(yè)。為了預(yù)防工程事故，更需要注意選擇其支護和開采方向。
我國的深部巷道中，回采工作面、運輸大巷以及運輸石門距離近的情況越來越多，且彼此空間位置交錯；
隨著深度增加，回采工作面和巷道的傾斜角度也更有可能增大。深部回采工作面附近巷道地應(yīng)力極高，其頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤^大，支護難度高于淺部巷道［1-5］。針對深度大、傾角大、形式復(fù)雜的巷道，國內(nèi)眾多專家學(xué)者進行了大量研究。王想君等［6］研究了“T”形巷道開采對近距離巷道的影響，并采用多種支護形式一體化協(xié)調(diào)的方案來控制圍巖的穩(wěn)定性。馬念杰等［7］通過分析巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學(xué)機制以及形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)圍巖塑性區(qū)的形成與發(fā)展會導(dǎo)致圍巖變形破壞，且塑性區(qū)的范圍決定了巷道破壞的程度。鄧俊禹等［8］通過理論分析和數(shù)值模擬研究了深埋交叉巷道的變形機理，確定了解決圍巖破碎問題的關(guān)鍵是提高圍巖穩(wěn)定性和加強支護。殷海波等［9］利用模擬軟件得出減小錨桿間距參數(shù)更能限制圍巖位移和塑性區(qū)。部分學(xué)者分析了工作面仰采期間出現(xiàn)危險、資源浪費等問題的原因，并提出針對性解決方案，為工作面仰采期間的生產(chǎn)安全和提高效率提供了寶貴的經(jīng)驗［10-11］。但目前關(guān)于上部不同開采方式對其下部“T”形巷道影響的研究較為少見，因此，本文以某礦井為對象，利用FLAC3D 軟件，研究該礦井5#煤層末端的上部工作面開采對其下部“T”形巷道圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的影響規(guī)律。
5#煤層末端位于地下600 m 處，傾角為12°，屬于緩傾斜煤層，開采煤層厚度為6.3 m；
煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.5 m；
底板為粉砂巖，厚度7.3 m。底板下部厚8.7 m 的砂巖內(nèi)存在一條已開掘完成的“T”形巷道，砂巖下部為厚6.3 m 的泥質(zhì)灰?guī)r。5#煤層端部開采時，正好經(jīng)過“T”形巷道的交叉部位，且巷道周圍的巖層為粉砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r等強度較低的巖石。因為已開掘巷道和待采工作面之間距離較近，且煤層角度大于6°，所以需從傾向和走向兩種開采方向中選擇一個更加合理的開采方向。
2.1 推進方向
煤層推進方式一般有兩種：走向開采和傾向開采。走向推進是指煤層推進工作面沿著煤層的傾向布置、走向推進；
傾向推進是指煤層推進工作面沿著煤層的走向布置、傾向推進。還可以分為從上向下推進的俯采和從下向上推進的仰采兩種方式。煤層傾角大于6°時，由于走向推進運輸順槽為平巷，工人行走、出煤、處理積水均比較方便，而傾向推進則相對比較復(fù)雜；
當(dāng)煤層傾角小于6°時，兩種開采方式區(qū)別不大。走向推進在煤層傾角較大的工程中出現(xiàn)的頻率比較高。此外，仰采在工程作業(yè)中的運用頻率比俯采更高，主要是因為仰采時排水、出煤、通風(fēng)等工序比俯采時簡單，工作效率更高，成本更低；
若僅僅考慮效率、成本、工序等，應(yīng)優(yōu)先選用仰采，但實際工程中應(yīng)更加注重安全因素。此次工程案例中，開采煤層近距離處存在一“T”形巷道，所以需要通過模擬選擇更好的開采方式。為提高工程效率，僅考慮走向開采和沿傾向方向的仰采。
2.2 破壞原理
巷道和煤層還未開挖時，巖體處于各向應(yīng)力平衡狀態(tài)；
巷道開采并支護時，其周圍巖石應(yīng)力重新分布，達到新的平衡狀態(tài)。應(yīng)力重新分布產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域及塑性區(qū)。塑性區(qū)內(nèi)的巖體處于塑性狀態(tài)，粘聚力幾乎消失，僅靠摩擦力維持極不穩(wěn)定的狀態(tài)，整個巷道需要錨桿來維持穩(wěn)定。當(dāng)上部煤層開采時，其周圍應(yīng)力變化會擾動下部近距離巷道，使得巷道圍巖應(yīng)力再次分布，塑性區(qū)再次擴大。由于粘聚力太小，剪切破壞次數(shù)增多，若煤層開采和巷道支護不當(dāng)，極有可能造成大規(guī)模的整體剪切破壞。
3.1 模型的建立
由于待開采煤層端部正下方有一已開挖的“T”形巷道，煤礦開采時會對周圍3 ～ 5 倍巷道尺寸距離內(nèi)的圍巖有影響，故模型尺寸選40 m×40 m×40 m 的塊體；
模型四周應(yīng)力皆為初始應(yīng)力，固定模型四周和底面邊界位移，在上部邊界施加礦山壓力，側(cè)壓力取垂直應(yīng)力的0.5 倍。用錨桿單元模擬巷道的支護，支護長度為2.4 m。該礦煤炭可用開采方式為沿傾向方向的仰采。巷道的模型和錨桿支護具體情況如圖1 所示，圖1（b）中A 為運輸大巷，B 為運輸石門，T1 ～ T8 為切片所處位置。
圖1 巷道模型Fig.1 Roadway model
3.2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)
依據(jù)現(xiàn)場提取的巖石樣本，進行物理力學(xué)試驗，測得圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。
表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock
巖石進入塑性階段，有多種屈服準(zhǔn)則可以表達該階段的情況，其中摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則可以較好反應(yīng)巖石彈塑性力學(xué)分布規(guī)律，故模擬中采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，表達式為：
式中：σ1、σ3為大、小主應(yīng)力，MPa；
c 為粘聚力，MPa；
φ為內(nèi)摩擦角。當(dāng)fs＞0 時，發(fā)生剪切破壞，根據(jù)抗拉強度準(zhǔn)則，即時產(chǎn)生拉伸破壞。
從圖1（a）、圖1（d）可以看出，模型含一已經(jīng)開挖的“T”形巷道，已配錨桿且受力平衡，其上部較近處要開采一傾斜煤層。在不為上部煤層開采提供支護的前提下，觀察“T”形巷道上部煤層在傾向和走向兩種不同開采方向，比較4 次推進長度（由于僅僅考慮“T”形巷道附近的煤層，故開采長度僅取為7 m、8 m、9 m、10 m）對巷道圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)產(chǎn)生的影響，以選擇更合適的開采方向。下圖均取過模型的豎直切片，其中，T1、T3、T5、T7切片垂直于圖1（b）中的走向開采，T2、T4、T6、T8切片垂直于圖1（b）中的傾向開采。
4.1 應(yīng)力分析
上部煤層還未開采時，“T”形巷道圍巖應(yīng)力重新分布，處于平衡狀態(tài)；
但上部煤層開采時，會影響其附近圍巖應(yīng)力。回采工作面以及巷道圍巖的垂直和水平應(yīng)力情況如圖2 和圖3 所示。
圖2 模型豎直切片垂直應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.2 Vertical stress cloud diagram for vertical slices of model（unit：Pa）
圖3 模型豎直切片水平應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.3 Horizontal stress cloud diagram for vertical slices of model（unit：Pa）
圖2 為模型豎直切片垂直應(yīng)力云圖，分別對比T1、T2；
T3、T4；
T5、T6；
T7、T8。推進7 m 時，走向推進最大應(yīng)力為21.24 MPa，傾向推進最大應(yīng)力為20.75 MPa，傾向小2%；
當(dāng)推進8 m 時，走向最大應(yīng)力為22.25 MPa，傾向最大應(yīng)力為21.34 MPa，傾向小4%；
當(dāng)推進9 m 時，走向最大應(yīng)力為22.47 MPa，傾向最大應(yīng)力為22.14 MPa，傾向小1%；
當(dāng)推進10 m 時，走向最大應(yīng)力為23.70 MPa，傾向最大應(yīng)力為22.22 MPa，傾向小6%；
可見，在保證推進距離一致時，傾向推進的最大應(yīng)力小于走向推進。隨著推進距離增加，兩種推進方式引起的最大應(yīng)力差距也在增大。此外，走向推進時，運輸大巷左側(cè)直墻附近有一明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，運輸石門直墻附近也有一條呈條狀的應(yīng)力集中區(qū)域；
而傾向推進時，僅在運輸大巷直墻附近有一明顯的條狀應(yīng)力集中區(qū)域，運輸石門直墻處無明顯應(yīng)力集中區(qū)域。分別對比T1、T3、T5、T7；
T2、T4、T6、T8，隨著推進距離增加，煤層開采對下部巷道應(yīng)力的影響逐漸增大，走向推進到“T”形巷道交叉處時，上部煤層開采對下部巷道應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生較大范圍的影響，而傾向推進造成的影響相對較小。
圖3 所示為模型豎直切片水平應(yīng)力圖，圖中最大水平應(yīng)力均分布在模型頂部。對比相同推進距離、不同推進方向的應(yīng)力，推進7 m 時，走向推進最大應(yīng)力為22.13 MPa，傾向最大應(yīng)力為17.62 MPa，傾向小20%；
推進8 m 時，走向推進最大應(yīng)力為25.59 MPa，傾向最大應(yīng)力為19.22 MPa，傾向小25%；
推進9 m 時，走向推進最大應(yīng)力為28.84 MPa，傾向最大應(yīng)力為21.21 MPa，傾向小26%；
推進10 m 時，走向推進最大應(yīng)力為29.28 MPa，傾向最大應(yīng)力為23.90 MPa，傾向小18%。可見兩種推進方式的最大水平應(yīng)力相差較大，但差距也隨著推進距離的增加先增大后減小。對比相同推進方向、不同推進距離應(yīng)力，隨著推進距離的增加，水平應(yīng)力區(qū)域變化不明顯，傾向推進對圍巖應(yīng)力變化的區(qū)域影響小于走向推進。
綜合考慮水平應(yīng)力和垂直用力，傾向推進優(yōu)于走向推進。
4.2 位移分析
“T”形巷道頂?shù)装遄畲笙鄬ξ灰萍从缮喜肯锏劳七M引起的圍巖應(yīng)力變化導(dǎo)致的應(yīng)力重新分布。由于“T”形巷道的特殊形狀，需要用數(shù)值模擬軟件分析巷道交叉處頂?shù)装遄畲蟠怪毕鄬ξ灰坪椭眽μ幩轿灰圃诓煌七M方向下的差異。
位移監(jiān)測點如圖1（c）所示，現(xiàn)觀察1、2 兩點附近的垂直位移和3 號點附近區(qū)域的水平位移。先觀察圖4 的垂直位移，對比相同推進距離、不同推進方向位移可以看出，推進7 m 時，走向推進1、2 點相對位移大小為2.5 mm，傾向推進1、2 點相對位移為4.0 mm；
推進8 m 時，走向推進1、2 點相對位移大小為5.0 mm，傾向推進1、2 點相對位移為5.0 mm；
推進9 m 時，走向推進1、2 點相對位移大小為10 mm，傾向推進1、2 點相對位移為5.0 mm；
推進10 m 時，走向推進1、2 點相對位移為20 mm，傾向推進1、2 點相對位移為5 mm；
在保證推進距離相同時，兩種推進方向各有大小。縱向?qū)Ρ韧N推進方向、不同推進距離可知，隨著推進距離的增加，走向推進的相對垂直位移增大，傾向推進的相對垂直位移幾乎不變，但最大相對位移出現(xiàn)在走向推進中。
圖4 模型豎直切片垂直位移云圖（單位：m）Fig.4 Vertical displacement cloud diagram for vertical slices of model（unit：m）
圖5 所示為模型豎直切片水平位移圖，對比同一推進距離、不同推進方向可看出，推進7 m 時，3號點附近的水平位移大小分別為2 mm、1 mm；
推進8 m 時，3 號點附近的水平位移大小分別為2 mm、0.5 mm；
推進9 m 時，3 號點附近的水平位移大小分別為5 mm、0.5 mm；
推進10 m 時，3 號點附近水平位移大小分別為15 mm、0 mm；
在保證推進距離相同時，傾向推進位移均小于走向推進位移。縱向?qū)Ρ韧N推進方向、不同推進距離可知，隨著推進距離的增加，走向推進的直墻水平位移在增大，而傾向推進的直墻水平位移卻總體減小，但傾向推進直墻水平位移總體比較小。
圖5 模型豎直切片水平位移云圖（單位：m）Fig.5 Horizonal displacement cloud diagram for vertical slices of model（unit：m）
4.3 塑性區(qū)分析
煤層開采會對周圍圍巖應(yīng)力產(chǎn)生影響，也必然伴隨著塑性區(qū)的出現(xiàn)。推進方向不同，塑性區(qū)的表現(xiàn)形式也不盡相同。圖6 所示為兩種推進方向在7 m、8 m、9 m 和10 m 推進距離下的塑性區(qū)圖，對比可以發(fā)現(xiàn)，上部煤層在無支護開采的條件下，走向推進引起的圍巖塑性區(qū)明顯大于傾向推進；
隨著推進距離的增加，兩種推進方向的塑性區(qū)都明顯增大。下部巷道由于錨桿支護，其塑性區(qū)明顯小于上部采空區(qū)圍巖的塑性區(qū)；
此外，傾向推進塑性區(qū)域沿運輸大巷均勻分布，而走向推進塑性區(qū)沿運輸大巷方向存在一定起伏。最后，煤層頂板附近塑性區(qū)域要大于底板附塑性區(qū)域。
圖6 模型豎直切片塑性區(qū)云圖Fig.6 Plastic zone cloud diagram for vertical slices of model
（1）開采距離相同時，工作面傾向推進對下部巷道應(yīng)力和塑性區(qū)的影響小于走向推進；
隨著煤層開采長度的增加，下部巷道的應(yīng)力和塑性區(qū)均增大，垂直應(yīng)力集中區(qū)域明顯增大，而水平應(yīng)力集中區(qū)域變化不明顯。
（2）開采距離相同時，傾向推進最大相對垂直位移小于走向推進；
隨著推進長度的增加，走向推進位移均增大，傾向推進位移大小幾乎不變；
且傾向推進的位移遠小于走向推進。
（3）兩種推進方向?qū)γ簩雍拖锏乐g部位的應(yīng)力、塑性區(qū)影響均比較大，對位移的影響相對較小。根據(jù)本文的研究結(jié)果，傾向推進仰采更適合本次工程的工作面。
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