回采工作面圍巖應(yīng)力分布有哪些特征？

高路

摘要：受采動影響巷道的礦壓顯現(xiàn)比靜壓巷道要復(fù)雜得多。它的維護狀況除取決于影響靜壓巷道維護的諸因素外，主要取決于采動影響，即煤層開采過程中引起的采場周圍巖層運動和應(yīng)力重新分布，對巷道的變形、破壞和維護的影響。一般情況下，回采工作面開切眼不受采動影響，而回撤通道要經(jīng)受采煤工作面支承壓力影響的全過程。因此，深入研究回采工作面前后圍巖應(yīng)力分布特征，對回撤通道支護設(shè)計及采透前的加固設(shè)計具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 沿工作面推進方向的應(yīng)力變化

眾所周知，用陷落法開采時，采空區(qū)頂板巖層從下向上一般會出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。這三帶的發(fā)展過程對巷道維護影響很大。
冒落帶是在開采空間和冒落巖層本身空間未被冒落巖塊充滿前發(fā)生的，一般都自由垮落，失去原有的層次，巖層結(jié)構(gòu)破壞嚴重，彼此之間無力的聯(lián)系。冒落帶巖層的厚度取決于煤層的開采厚度、頂板巖層性質(zhì)及其賦存狀況等。冒落帶巖層的厚度一般為采厚的2~4倍。
當(dāng)頂板巖層的冒落高度達到h時，由于受到充滿采空區(qū)的垮落巖石的限制，上部的巖層不再自由垮落，隨著冒落帶松散巖石的壓實而下沉斷裂，形成裂隙帶。裂隙帶的巖層結(jié)構(gòu)雖遭破壞，但仍保持原有層次，巖塊之間絞接擠壓，可能形成力的平衡，而承受上覆巖層的重量，并將其傳遞到采空區(qū)周圍的煤體和煤柱上。
裂隙帶巖層往上，裂隙漸少且互不溝通，巖層只是整體移動，稱彎曲下沉帶。它的運動過程對沿空巷道的頂板下沉和礦壓顯現(xiàn)的影響比裂隙帶要小得多。
沿回采工作面推進方向，采空區(qū)上部巖層的破壞過程大致可分為三個階段。冒落帶巖層處于垮落和松散階段，上覆巖層大部分呈懸垂狀態(tài)（如圖1中的Ⅲ），懸垂巖層的重量要轉(zhuǎn)移到工作面前方和采空區(qū)兩側(cè)的煤體和煤柱上。此時在采空區(qū)為低于原始應(yīng)力H的降壓區(qū)（圖1和圖2中C），在工作面前方（圖1中B）和采空區(qū)兩側(cè)的煤體（圖2中B1）和煤柱（圖2中B2）上，出現(xiàn)了比原始應(yīng)力大得多的集中應(yīng)力，常稱為支承壓力。隨著回采工作面的推進，冒落帶巖石逐步被壓縮（圖1中Ⅳ），采空區(qū)上覆巖層的重量，逐漸作用到底板上，煤柱的支承壓力也漸漸降低。在遠離回采工作面的后方，隨著已采區(qū)上覆巖層的沉降，冒落帶矸石的壓實（圖1中Ⅴ），冒落帶和底板巖層的壓力恢復(fù)到接近原始應(yīng)力H（圖1和圖2中D），采空區(qū)兩側(cè)煤柱的壓力也趨向穩(wěn)定。在回采期間，沿工作面前后方應(yīng)力分布如圖1所示。
在采動影響下，沿回采工作面推進方向，回采空間兩側(cè)煤體和煤柱的應(yīng)力，隨著與工作面的距離和時間不同而發(fā)生很大變化，一般都出現(xiàn)三個應(yīng)力區(qū)。即遠離工作面前方，未受采動影響的原始應(yīng)力區(qū)（圖3中A）；在工作面附近和前后，受采動影響的應(yīng)力增高區(qū)（圖3中B）；遠離工作面后方，采動影響趨向穩(wěn)定的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)（圖3中D）。應(yīng)力增高區(qū)B由應(yīng)力升高、強烈和減弱三部分組成。在其它條件變化不大的情況下，布置在工作面上、下兩側(cè)的采準巷道，圍巖變形的變化與煤柱的應(yīng)力分布基本上是一致的。

圖1 回采工作面前后方的應(yīng)力分布
Ⅰ-工作面前方應(yīng)力變化區(qū)；Ⅱ-工作面控頂區(qū)；Ⅲ-冒落巖石松散區(qū)；Ⅳ-冒落巖石逐漸壓縮區(qū)；
Ⅴ-冒落巖石壓實區(qū)；A-原始應(yīng)力區(qū)；B-應(yīng)力增高區(qū)；C-應(yīng)力降低區(qū)；D-應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)

圖2 已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布
Ⅰ-冒落帶；Ⅱ-裂隙帶；Ⅲ-彎曲下沉帶；
A-原始應(yīng)力區(qū)；B1、B2-應(yīng)力增高區(qū)；C-應(yīng)力降低區(qū)；D-應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)
沿回采工作面推進方向，回采空間（中央）前后的應(yīng)力分布（圖1），同兩側(cè)煤體和煤柱的應(yīng)力分布（圖2、3）是緊密聯(lián)系的，它們反映了采動引起的應(yīng)力重新分布的基本狀況，對分析研究采準巷道的維護十分重要。采空區(qū)上覆巖層的運動和破壞，引起煤柱上載荷急劇增長，再逐漸下降和趨向穩(wěn)定的過程，以及各個應(yīng)力區(qū)的分布范圍和持續(xù)時間，是決定采準巷道維護的主要因素。

圖3 護巷煤柱在回采工作面前后方的應(yīng)力分布
A-原始應(yīng)力區(qū)；B-應(yīng)力增高區(qū)；D-應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)

2 煤柱的塑性區(qū)寬度和應(yīng)力分布

假設(shè)采空區(qū)周圍的煤柱處于彈性變形狀態(tài)，則煤柱的垂直正應(yīng)力y的分布如圖4中1所示。y隨著與采空區(qū)邊緣之間距離x的增大，按負指數(shù)曲線衰減。回采引起的支承壓力分布范圍為30~100m，通常在距采空區(qū)50~60m以外，就能觀測到支承壓力的影響。
實際上，在高應(yīng)力的作用下，煤柱在采空區(qū)邊緣附近，會出現(xiàn)松散區(qū)和塑性區(qū)，并引起應(yīng)力向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移和圍巖的塑性變形。在松散區(qū)（圖4中Ⅰ）內(nèi)，圍巖已經(jīng)松動破碎，基本不能傳遞垂直應(yīng)力。塑性區(qū)靠已采區(qū)一側(cè)（圖中Ⅱ），壓力下降，低于原巖應(yīng)力H，圍巖強度明顯減弱，并發(fā)生松弛和位移。塑性區(qū)靠煤體一側(cè)（圖中Ⅲ）和彈性區(qū)應(yīng)力升高部分（圖中Ⅳ）為承載區(qū)。塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界處是垂直應(yīng)力最高的地方。

圖4 煤柱的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力的分布
1-彈性應(yīng)力；2-彈塑性應(yīng)力
Ⅰ-松散區(qū)；Ⅱ-松弛區(qū)；Ⅲ-塑性區(qū)；Ⅳ-彈性區(qū)應(yīng)力升高部分；Ⅴ-彈性區(qū)原始應(yīng)力區(qū)
煤柱的支承能力，隨著遠離煤柱邊緣而明顯增長。在距離煤柱邊緣一定寬度內(nèi)，存在著煤柱的支承能力與支承壓力處于極限平衡的狀態(tài)。運用巖體的極限平衡理論，可得到塑性區(qū)內(nèi)任意處的垂直應(yīng)力，應(yīng)力降低區(qū)的寬度，以及塑性區(qū)寬度，即支承壓力頂峰與煤柱邊緣之間的距離x0的方程式。
如圖4所示，在煤柱的極限平衡區(qū)內(nèi)取一寬度為dx的單元體，促使單元體向采空區(qū)方向壓出的是水平擠壓力，而阻止單元體壓出的是粘結(jié)力及煤柱與頂?shù)装褰佑|面之間的摩擦力，故單元體處于平衡狀態(tài)的方程式為：

即：(1)
極限平衡條件為：(2)
令：
式中 y——塑性區(qū)的垂直應(yīng)力；
x——塑性區(qū)的水平應(yīng)力；
m——煤層開采厚度；
C——粘結(jié)力；
——內(nèi)摩擦角；
f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)。
將（1）式代入（2）式得：(3)
解此微分方程，并令x=0時，x=Pi，得：(4)
式中： Pi——支護對煤幫阻力。
煤柱的彈性應(yīng)力為：(5)
式中：K——應(yīng)力集中系數(shù)。
在距煤柱邊緣一定寬度內(nèi)，極限應(yīng)力與支承應(yīng)力相等，這段距離即為塑性區(qū)寬度。由（4）式等于（5）式，得：(6)
回采引起的支承壓力大小，是隨工作面的推進距離和采動影響時間的延續(xù)而變化的。一般情況下，在回采工作面前方50~60m左右受到采動影響后，隨著工作面的臨近，由原始應(yīng)力H，按指數(shù)曲線增長到KH，所以應(yīng)力集中系數(shù)K是巷道與回采工作面沿推進方向的距離L，及采動影響的延續(xù)時間t的函數(shù)，即K=f（L、t）。K值在回采工作面附近，一般在工作面后方0~20m處達到最大。若為一側(cè)采動的煤體，K的最大值一般為2.5~3。若為兩側(cè)均受采動影響的煤柱，寬度又不太大（30~40m以內(nèi)）時，則煤柱應(yīng)力趨近均勻分布，在回采工作面附近的K值一般為4~5。
隨著采空區(qū)上覆巖層依次垮落和沉降，煤柱的支承壓力及其影響范圍均減小。大約在回采工作面后方100余米以外，即采后3~4個月，煤柱的應(yīng)力趨向穩(wěn)定，此稱殘存支承壓力。這時，一側(cè)采動時的K值為1.5左右。兩側(cè)采動時為2.5左右。
煤柱受到采動影響后，煤柱的應(yīng)力降低區(qū)和塑性區(qū)的寬度，都是隨著回采工作面的推進距離和采動影響時間的延續(xù)而發(fā)展的，同時伴隨著支承壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移。所以塑性區(qū)寬度x0也是該處與回采工作面的距離L，及采動延續(xù)的時間t的函數(shù)，即x0=f(L、t)。 由（5）式可知，煤柱的塑性區(qū)寬度x0主要取決于開采深度H，回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)K，煤層的開采厚度m，煤柱的力學(xué)性質(zhì)、內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力c，以及支護阻力pi等。
(1) 煤柱的塑性區(qū)寬度x0和垂直應(yīng)力y均隨著開采深度H和應(yīng)力集中系數(shù)K的增大，按指數(shù)函數(shù)規(guī)律迅速增長。
(2) 在H、K一定的情況下，塑性區(qū)寬度x0隨著煤層的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力C的降低，也按指數(shù)函數(shù)規(guī)律增長。
(3) 、C愈小，即煤柱強度愈弱，x0隨H、K增長愈快。反之，、C較大，即煤柱強度較大時，H、K對x0的影響較小。且H、K愈大，、C對x0的影響愈劇。
(4) x0與煤層開采厚度m之間呈正比關(guān)系。
在生產(chǎn)實際中，由于煤層的強度和采厚、開采深度和采動狀況等不同，x0的變化范圍為3~20m，一般為5~12m。x0的變化對選擇煤柱寬度、巷道維護及無煤柱護巷影響很大。應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化范圍為2~7m，一般為3~5m。

3 支承壓力對回撤通道維護的影響

回采對采前已經(jīng)掘出的回撤通道的影響，實質(zhì)上是在巷道周圍形成了高應(yīng)力場，從而改變了巷道受回采影響之前原巖應(yīng)力的初始狀態(tài)，致使巷道的圍巖應(yīng)力重新分布、塑性變形區(qū)擴大和周邊位移顯著增長。這個高應(yīng)力場是變化的、不均勻的，它主要取決于通道與采煤工作面的臨近距離，周圍的采動狀況。
回撤通道開掘到報廢，變形和破壞的特點與沿空留巷有相似之處。在回采工作面采透回撤通道后，通道一側(cè)煤體不復(fù)存在。一幫是受強烈支承壓力作用過的破碎煤體，另一側(cè)為采空區(qū)，受力狀況與一般巷道有明顯差別。此時，回撤通道的圍巖變形，除與煤幫的支承壓力和頂板載荷有關(guān)外，其頂板下沉量主要取決于裂隙帶巖層取得平衡之前的強烈沉降。
在回采工作面采透回撤通道后，由于裂隙帶巖層取得平衡之前的急劇沉降，引起通頂板在短期內(nèi)強烈下沉，同時煤幫側(cè)壓也較強烈�；爻吠ǖ理敯逑鲁亮侩S通道寬度和懸頂距的增大按正比增長�；爻吠ǖ赖捻敯逑鲁亮浚�靠采空區(qū)一側(cè)比靠煤幫處要大得多，頂板明顯地向采空區(qū)方向傾斜。
煤幫應(yīng)力和穩(wěn)定性對回撤通道頂板也產(chǎn)生明顯影響。若煤幫嚴重破壞，裂隙帶巖層沉降就會向煤體縱深發(fā)展，回撤通道頂板下沉量和煤幫位移量都將顯著增長。
一般情況下，回撤通道的加強支護難以阻止上位巖層處于平衡狀態(tài)以前所產(chǎn)生的頂板沉降量。但支護提供的支護阻力，應(yīng)能避免直接頂板及其與上部巖層之間產(chǎn)生過大的離層，以及巖層斷裂并發(fā)生錯動，保證上覆巖層運動趨向緩和，有效地控制頂板下沉。加強支護還必須具有足夠的可縮量，要求支護在工作面附近迅速增阻，然后保持恒阻的工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 沿回采工作面推進方向，出現(xiàn)四個區(qū)域：原始應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)�；夭晒ぷ髅娌赏富爻吠ǖ狼昂螅�回撤通道經(jīng)歷采動影響全過程。
(2) 回撤通道采透后處于兩種不同的介質(zhì)，巷道圍巖變形既取決于采空區(qū)的巖層活動，又與煤幫的應(yīng)力密切相關(guān)。在回采工作面附近，由于已采區(qū)裂隙帶巖層取得平衡之前的急劇沉降，引起巷道頂板強烈下沉，這是不可避免的。
(3) 回采工作面采透回撤通道前后，回撤通道經(jīng)歷采前強烈的支承壓力影響，采透過程中頂板的強烈沉降。工作面接近回撤通道時，圍巖應(yīng)力最大；采透時頂板下沉量最大。