回采工作面围岩应力分布特征研究.doc

回采工作面围岩应力分布特征研究高路潞安矿业集团公司屯留煤矿摘要：受采动影响巷道的矿压显现比静压巷道要复杂得多。它的维护状况除取决于影响静压巷道维护的诸因素外，主要取决于采动影响，即煤层开采过程中引起的采场周围岩层运动和应力重新分布，对巷道的变形、破坏和维护的影响。一般情况下，回采工作面开切眼不受采动影响，而回撤通道要经受采煤工作面支承压力影响的全过程。因此，深入研究回采工作面前后围岩应力分布特征，对回撤通道支护设计及采透前的加固设计具有重要的理论指导意义。1 沿工作面推进方向的应力变化众所周知，用陷落法开采时，采空区顶板岩层从下向上一般会出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。这三带的发展过程对巷道维护影响很大。冒落带是在开采空间和冒落岩层本身空间未被冒落岩块充满前发生的，一般都自由垮落，失去原有的层次，岩层结构破坏严重，彼此之间无力的联系。冒落带岩层的厚度取决于煤层的开采厚度、顶板岩层性质及其赋存状况等。冒落带岩层的厚度一般为采厚的24倍。当顶板岩层的冒落高度达到Sh时，由于受到充满采空区的垮落岩石的限制，上部的岩层不再自由垮落，随着冒落带松散岩石的压实而下沉断裂，形成裂隙带。裂隙带的岩层结构虽遭破坏，但仍保持原有层次，岩块之间绞接挤压，可能形成力的平衡，而承受上覆岩层的重量，并将其传递到采空区周围的煤体和煤柱上。裂隙带岩层往上，裂隙渐少且互不沟通，岩层只是整体移动，称弯曲下沉带。它的运动过程对沿空巷道的顶板下沉和矿压显现的影响比裂隙带要小得多。沿回采工作面推进方向，采空区上部岩层的破坏过程大致可分为三个阶段。冒落带岩层处于垮落和松散阶段，上覆岩层大部分呈悬垂状态（如图1中的），悬垂岩层的重量要转移到工作面前方和采空区两侧的煤体和煤柱上。此时在采空区为低于原始应力gH的降压区（图1和图2中C），在工作面前方（图1中B）和采空区两侧的煤体（图2中B1）和煤柱（图2中B2）上，出现了比原始应力大得多的集中应力，常称为支承压力。随着回采工作面的推进，冒落带岩石逐步被压缩（图1中），采空区上覆岩层的重量，逐渐作用到底板上，煤柱的支承压力也渐渐降低。在远离回采工作面的后方，随着已采区上覆岩层的沉降，冒落带矸石的压实（图1中），冒落带和底板岩层的压力恢复到接近原始应力gH（图1和图2中D），采空区两侧煤柱的压力也趋向稳定。在回采期间，沿工作面前后方应力分布如图1所示。在采动影响下，沿回采工作面推进方向，回采空间两侧煤体和煤柱的应力，随着与工作面的距离和时间不同而发生很大变化，一般都出现三个应力区。即远离工作面前方，未受采动影响的原始应力区（图3中A）；在工作面附近和前后，受采动影响的应力增高区（图3中B）；远离工作面后方，采动影响趋向稳定的应力稳定区（图3中D）。应力增高区B由应力升高、强烈和减弱三部分组成。在其它条件变化不大的情况下，布置在工作面上、下两侧的采准巷道，围岩变形的变化与煤柱的应力分布基本上是一致的。图1 回采工作面前后方的应力分布-工作面前方应力变化区；-工作面控顶区；-冒落岩石松散区；-冒落岩石逐渐压缩区；-冒落岩石压实区；A-原始应力区；B-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区图2 已采区及其两侧煤柱的应力分布-冒落带；-裂隙带；-弯曲下沉带；A-原始应力区；B1、B2-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区沿回采工作面推进方向，回采空间（中央）前后的应力分布（图1），同两侧煤体和煤柱的应力分布（图2、3）是紧密联系的，它们反映了采动引起的应力重新分布的基本状况，对分析研究采准巷道的维护十分重要。采空区上覆岩层的运动和破坏，引起煤柱上载荷急剧增长，再逐渐下降和趋向稳定的过程，以及各个应力区的分布范围和持续时间，是决定采准巷道维护的主要因素。图3 护巷煤柱在回采工作面前后方的应力分布A-原始应力区；B-应力增高区；D-应力稳定区2 煤柱的塑性区宽度和应力分布假设采空区周围的煤柱处于弹性变形状态，则煤柱的垂直正应力sy的分布如图4中1所示。sy随着与采空区边缘之间距离x的增大，按负指数曲线衰减。回采引起的支承压力分布范围为30100m，通常在距采空区5060m以外，就能观测到支承压力的影响。实际上，在高应力的作用下，煤柱在采空区边缘附近，会出现松散区和塑性区，并引起应力向围岩内部转移和围岩的塑性变形。在松散区（图4中）内，围岩已经松动破碎，基本不能传递垂直应力。塑性区靠已采区一侧（图中），压力下降，低于原岩应力gH，围岩强度明显减弱，并发生松弛和位移。塑性区靠煤体一侧（图中）和弹性区应力升高部分（图中）为承载区。塑性区与弹性区的交界处是垂直应力最高的地方。图4 煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布1-弹性应力；2-弹塑性应力-松散区；-松弛区；-塑性区；-弹性区应力升高部分；-弹性区原始应力区煤柱的支承能力，随着远离煤柱边缘而明显增长。在距离煤柱边缘一定宽度内，存在着煤柱的支承能力与支承压力处于极限平衡的状态。运用岩体的极限平衡理论，可得到塑性区内任意处的垂直应力，应力降低区的宽度，以及塑性区宽度，即支承压力顶峰与煤柱边缘之间的距离x0的方程式。如图4所示，在煤柱的极限平衡区内取一宽度为dx的单元体，促使单元体向采空区方向压出的是水平挤压力，而阻止单元体压出的是粘结力及煤柱与顶底板接触面之间的摩擦力，故单元体处于平衡状态的方程式为：即： (1)极限平衡条件为： (2)令： 式中sy塑性区的垂直应力；sx塑性区的水平应力；m煤层开采厚度；C粘结力；j内摩擦角；f煤层与顶底板接触面的摩擦系数。将（1）式代入（2）式得： (3)解此微分方程，并令x=0时，sx=Pi，得： (4)式中： Pi支护对煤帮阻力。煤柱的弹性应力为： (5)式中：K应力集中系数。在距煤柱边缘一定宽度内，极限应力与支承应力相等，这段距离即为塑性区宽度。由（4）式等于（5）式，得： (6)回采引起的支承压力大小，是随工作面的推进距离和采动影响时间的延续而变化的。一般情况下，在回采工作面前方5060m左右受到采动影响后，随着工作面的临近，由原始应力gH，按指数曲线增长到KgH，所以应力集中系数K是巷道与回采工作面沿推进方向的距离L，及采动影响的延续时间t的函数，即K=f（L、t）。K值在回采工作面附近，一般在工作面后方020m处达到最大。若为一侧采动的煤体，K的最大值一般为2.53。若为两侧均受采动影响的煤柱，宽度又不太大（3040m以内）时，则煤柱应力趋近均匀分布，在回采工作面附近的K值一般为45。随着采空区上覆岩层依次垮落和沉降，煤柱的支承压力及其影响范围均减小。大约在回采工作面后方100余米以外，即采后34个月，煤柱的应力趋向稳定，此称残存支承压力。这时，一侧采动时的K值为1.5左右。两侧采动时为2.5左右。煤柱受到采动影响后，煤柱的应力降低区和塑性区的宽度，都是随着回采工作面的推进距离和采动影响时间的延续而发展的，同时伴随着支承压力向煤体深部转移。所以塑性区宽度x0也是该处与回采工作面的距离L，及采动延续的时间t的函数，即x0=f(L、t)。由（5）式可知，煤柱的塑性区宽度x0主要取决于开采深度H，回采引起的应力集中系数K，煤层的开采厚度m，煤柱的力学性质、内摩擦角j和粘结力c，以及支护阻力pi等。(1) 煤柱的塑性区宽度x0和垂直应力sy均随着开采深度H和应力集中系数K的增大，按指数函数规律迅速增长。(2) 在H、K一定的情况下，塑性区宽度x0随着煤层的内摩擦角j和粘结力C的降低，也按指数函数规律增长。(3) j、C愈小，即煤柱强度愈弱，x0随H、K增长愈快。反之，j、C较大，即煤柱强度较大时，H、K对x0的影响较小。且H、K愈大，j、C对x0的影响愈剧。(4) x0与煤层开采厚度m之间呈正比关系。在生产实际中，由于煤层的强度和采厚、开采深度和采动状况等不同，x0的变化范围为320m，一般为512m。x0的变化对选择煤柱宽度、巷道维护及无煤柱护巷影响很大。应力降低区宽度的变化范围为27m，一般为35m。3 支承压力对回撤通道维护的影响回采对采前已经掘出的回撤通道的影响，实质上是在巷道周围形成了高应力场，从而改变了巷道受回采影响之前原岩应力的初始状态，致使巷道的围岩应力重新分布、塑性变形区扩大和周边位移显著增长。这个高应力场是变化的、不均匀的，它主要取决于通道与采煤工作面的临近距离，周围的采动状况。回撤通道开掘到报废，变形和破坏的特点与沿空留巷有相似之处。在回采工作面采透回撤通道后，通道一侧煤体不复存在。一帮是受强烈支承压力作用过的破碎煤体，另一侧为采空区，受力状况与一般巷道有明显差别。此时，回撤通道的围岩变形，除与煤帮的支承压力和顶板载荷有关外，其顶板下沉量主要取决于裂隙带岩层取得平衡之前的强烈沉降。在回采工作面采透回撤通道后，由于裂隙带岩层取得平衡之前的急剧沉降，引起通顶板在短期内强烈下沉，同时煤帮侧压也较强烈。回撤通道顶板下沉量随通道宽度和悬顶距的增大按正比增长。回撤通道的顶板下沉量，靠采空区一侧比靠煤帮处要大得多，顶板明显地向采空区方向倾斜。煤帮应力和稳定性对回撤通道顶板也产生明显影响。若煤帮严重破坏，裂隙带岩层沉降就会向煤体纵深发展，回撤通道顶板下沉量和煤帮位移量都将显著增长。一般情况下，回撤通道的加强支护难以阻止上位岩层处于平衡状态以前所产生的顶板沉降量。但支护提供的支护阻力，应能避免直接顶板及其与上部岩层之间产生过大的离层，以及岩层断裂并发生错动，保证上覆岩层运动趋向缓和，有效地控制顶板下沉。加强支护还必须具有足够的可缩量，要求支护在工作面附近迅速增阻，然后保持恒阻的工作状态。4 结论(1) 沿回采工作面推进方向，出现四个区域：原始应力区，应力增高区，应力降低区和应力稳定区。回采工作面采透回撤通道前后，回撤通道经历采动影响全过程。(2) 回撤通道采透后处于两种不同的介质，巷道围岩变形既取决于采空区的岩层活动，又与煤帮的应力密切相关。在回采工作面附近，由于已采区裂隙带岩层取得平衡之前的急剧