采動影響下底板巷道合理布置位置研究

朱獻偉，趙紅超，馬 闖

(1.河南平寶煤業(yè)有限公司 首山一礦，河南 平頂山 462500；2.新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著煤礦開采深度的增加，自重應力場和構(gòu)造應力場對巷道圍巖的疊加作用將進一步加強。煤層開采之后，頂?shù)装鍘r層的應力場將發(fā)生變化，其結(jié)果必將造成頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生變形、位移甚至破壞。對于一般掘進擾動巷道，通常采用高強度、高預應力、讓壓支護技術(shù)基本上可以有效地控制巷道圍巖變形。但對于處于采動影響作用下次生應力場發(fā)育的底板瓦斯抽放巷，在考慮合理支護方案的基本前提下，必須重點考慮巷道的布置位置，以避開深部強采動帶來的高支承壓力的影響，從而使巷道處于較易維護的次生應力環(huán)境中。為此，本文以首山一礦己15-12050工作面底板瓦斯抽放巷為研究對象，重點分析在疊加應力場中受采動影響作用下底板巷道的合理布置方式。

1 工程概況

首山一礦主采煤層為己16、己17煤，直接頂板以砂質(zhì)泥巖(泥巖)為主，底板以泥巖為主，局部為細粒砂巖。己15煤厚度1.80～4.71m，平均3.50m。試驗巷道己15-12050工作面機巷底板抽放巷布置見圖1，平均埋深為750m，實際生產(chǎn)地質(zhì)條件見表1。

圖1 試驗巷道采掘工程平面

2 底板瓦斯抽放巷應力分布規(guī)律

2.1底板應力分布規(guī)律理論計算[2-3]

由于巖層強度大于煤體強度，在上部覆巖自重作用下，煤層橫向變形大于巖層橫向變形。因此，煤層相對于巖層有一向外運動的趨勢，這樣就在煤層與其頂板之間形成一摩擦力即剪切應力。如圖2所示，剪切應力為τzx，煤柱內(nèi)水平應力為σx，采空區(qū)側(cè)巷幫支護強度為Px，煤層厚度為m。

圖2 煤柱內(nèi)極限平衡力學模型

在極限平衡區(qū)寬度x0為：

(1)

(2)

極限平衡區(qū)內(nèi)載荷在底板產(chǎn)生的垂直應力σz1和水平應力σx1分別為：

(3)

則彈性區(qū)內(nèi)載荷在底板產(chǎn)生的垂直應力σz2和水平應力σx2分別為

(4)

式中，煤層厚度m為3.5m；內(nèi)摩擦角φ為25°；黏聚力為1.5MPa；水平側(cè)壓系數(shù)A為1.3；上工作面巷幫支護阻力Px為0.3MPa；側(cè)向支承壓力集中系數(shù)K為3；上覆巖層平均容重γ為25 kN/m3；工作面埋深H為750m；煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)f為0.2。

將上述數(shù)據(jù)代入式(4)可以求得工作面底板任何點的應力，圖3為工作面后方20m到工作面前方20m底板30m范圍內(nèi)應力分布規(guī)律。

由圖3可以看出，底板應力分布具有以下規(guī)律：

(1)在工作面前方5m內(nèi)，因煤體破碎而承載能力急劇下降，垂直應力較低；在工作面前方10～20m為應力集中區(qū)，在底板深度方向，垂直應力 先增大后減小，而在工作面后方20m，深度小于20m的范圍內(nèi)，圍巖處于應力降低區(qū)。

圖3 工作面底板垂直應力分布規(guī)律

(2)在工作面前方10～20m，底板垂直應力在深度7m處達到峰值，隨后不斷減小，在底板深度大于20m時，垂直應力集中系數(shù)在1.6～2.3之間，但同時圍巖的承載能力較高。

2.2 采動影響底板應力分布數(shù)值分析

采用FLAC3D對底板應力分布進行數(shù)值模擬，數(shù)值計算模型參數(shù)選擇首山一礦己15-12050工作面實際圍巖力學參數(shù)(參照表1)。模型大小為180m×80m×83.5m，單元總數(shù)為321600，節(jié)點總數(shù)為337348。該模型側(cè)面限制水平移動，底面限制垂直位移，上表面為應力邊界，施加荷載15MPa以模擬上覆巖體自重，材料符合摩爾庫倫模型。分別研究底板巷道掘進及采動影響階段垂直應力分布情況。

2.2.1 掘進影響階段

圖4為己15-12050工作面機巷開挖后垂直應力和水平應力分布。從圖4可以看出，底板巷道應力分布具有以下規(guī)律：

圖4 機巷掘進后底板應力場

(1)巷道開挖后，在兩幫形成垂直應力集中區(qū)，兩幫應力峰值距巷道表面距離為6m，頂?shù)装逍纬奢^大范圍的低應力區(qū)，底板低應力區(qū)深度為25m，并且在底板7m范圍內(nèi)，圍巖垂直應力低于10MPa。

(2)隨著遠離巷道底板，底板應力在小于10MPa時，增加較快，大于10MPa后，應力增長速度逐漸減慢，應力梯度越來越平緩。在水平方向，底板垂直應力先減小后增大，并且在底板深度為14m平面應力降低區(qū)范圍最大。

(3)在巷道頂?shù)装逍纬伤綉袇^(qū)，因松軟類底板和近距離煤層的影響，在底板形成較大范圍的水平應力集中區(qū)，范圍為底板深度大于10m，巷道前后方10m的范圍。

2.2.2 回采影響階段

圖5為己15-12050工作面回采后底板垂直應力分布。

圖5 回采后底板垂直應力場分布

從圖5可知：

(1)工作面回采后，在工作面后方形成應力降低區(qū)，工作面前方形成應力升高區(qū)，進入深部開采后，礦壓顯現(xiàn)劇烈，在工作面后方底板深度20m，呈三角形分布的應力降低區(qū)內(nèi)最大應力僅為3MPa，在工作面前方5～14m范圍內(nèi)，應力集中系數(shù)大于2，應力集中系數(shù)最大為3.2。

(2)在底板深度超過20m，應力梯度變緩，并且最大應力集中系數(shù)為1.25，在水平方向工作面前方15m至工作面后方30m范圍內(nèi)，垂直應力最大為25MPa，最小為3MPa，應力集中系數(shù)0.15～1.25，為較合理的底板瓦斯抽放巷布置位置，而在工作面前方超過15m范圍，應力集中系數(shù)超過1.25，巷道周邊應力較大，維護困難，但考慮瓦斯鉆孔不宜過長，在工作面后方，底板瓦斯抽放巷不應超過15m。從垂直應力分布來說，最適合布置底板瓦斯抽放巷的位置為底板深度大于20m，工作面前方15m至工作面后方15m的區(qū)域。

綜合考慮己15-12050工作面機巷開挖后在底板形成較大范圍的水平應力集中區(qū)、己15-12050工作面回采后垂直應力分布規(guī)律，最適合布置底板瓦斯抽放巷的位置為底板深度大于20m，工作面前方10～15m和工作面后方10～15m的區(qū)域。

3 采動影響底板巷道合理位置確定

3.1 底板巷道布置位置方案的提出

考慮瓦斯抽放鉆孔不宜過長、抽放效果以及底板瓦斯抽放巷的維護等因素，提出圖6所示的底板瓦斯抽放巷布置方式：

(1)外錯布置與己15-12050工作面機巷水平距離15m，與機巷底板垂直距離為20m，圖6A處；

(2)內(nèi)錯布置與己15-12050工作面機巷水平距離15m，與機巷底板垂直距離為20m，圖6B處。

圖6 底板瓦斯抽放巷的內(nèi)錯布置和外錯布置

外(內(nèi))錯布置底板瓦斯抽放巷均要經(jīng)受3次采掘影響：底板瓦斯抽放巷開挖引起的掘進擾動；己15-12050工作面機巷開挖引起的掘進擾動；己15-12050工作面回采引起的采動擾動。

3.2 “外錯式”布置方式的分析

3.2.1 底板瓦斯抽放巷開挖

圖7為底板瓦斯抽放巷開挖引起的應力場分布圖。由圖7可以看出，底板瓦斯抽放巷開挖后，應力分布有以下規(guī)律：

圖7 一次采動影響圍巖應力場分布

(1)垂直應力在兩幫形成應力集中區(qū)，最大垂直應力為25MPa，應力集中系數(shù)為1.5，在兩幫深度1～6m，從底板高度-1～4m區(qū)域垂直應力大于18MPa，在水平方向呈橢圓形分布，而在淺部開采，應力集中系數(shù)一般為1.2～1.3。

(2)垂直應力在頂?shù)装逍纬蓱档蛥^(qū)，范圍為頂?shù)装迳畈?～6m，從左幫寬度-1～6m的區(qū)域，應力降低區(qū)范圍較大，并且在頂?shù)装迳畈?～2m范圍內(nèi)垂直應力僅有4MPa，淺部圍巖處于低應力環(huán)境，利于巷道的維護。

(3)水平應力在巷道頂?shù)装逍纬蓱袇^(qū)，應力集中區(qū)范圍為頂?shù)装迳疃?～8m，巷道兩幫形成應力降低區(qū)，應力降低區(qū)為兩幫深部0～8m，從底板-2～5m的區(qū)域。

3.2.2 己15-12050工作面機巷開挖

圖8為機巷開挖后，底板瓦斯抽放巷圍巖應力情況。由圖8可以看出：

圖8 二次采動影響圍巖應力場分布

(1)機巷開挖相當于對底板瓦斯抽放巷進行頂板卸壓，圍巖應力明顯向機巷方向轉(zhuǎn)移，右?guī)蜕疃?m圍巖垂直應力為16MPa，而左幫深度8m圍巖垂直應力為18MPa。

(2)底板瓦斯抽放巷兩幫水平應力和左幫垂直應力在機巷開挖后均有不同程度的增加，但變化較小，右?guī)痛怪睉﹄S著靠近機巷，應力差逐漸增大，且開挖后垂直應力低于開挖前，最大差值為1.7MPa，底板瓦斯抽放巷處于較易維護的應力環(huán)境。

(3)機巷開挖后，頂板垂直應力有所降低，底板垂直應力有所升高，底板水平應力基本不變，但頂板水平應力變化較大，隨著深入頂板，在同一位置，開挖后水平應力不斷減小，開挖后與開挖前水平應力差不斷增大。

3.2.3 己15-12050工作面回采

圖9為己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷圍巖應力均分布情況。

圖9 三次采動影響圍巖應力場分布

由圖9可知，己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷圍巖應力有以下分布規(guī)律：

(1)底板瓦斯抽放巷兩幫垂直應力均大幅度增加，左幫垂直應力峰值從25.4MPa增加到40.2MPa，增加58.3%；右?guī)痛怪睉Ψ逯祻?4.8MPa增加到33MPa，增加33.1%。兩幫承受著高支承壓力的影響，煤幫表面圍巖從外及里破碎，應力向深部轉(zhuǎn)移，左幫垂直應力峰值從開挖前的2m轉(zhuǎn)移到深部的3m，而水平應力在回采前后基本不變；右?guī)退綉υ诨夭珊笥兴档停⑶译S著靠近工作面端頭，減小的幅度越來越大，最大應力差為2MPa。

(2)己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷頂?shù)装逅綉Τ什灰?guī)則分布，受采動影響較大，頂?shù)装逅綉写蠓鹊臏p小，頂幫水平應力最大減小值為7.1MPa，位于頂板深度5m的位置，減小幅度為34.8%，底板水平應力最大減小值為10.9MPa，位于底板深度3m的位置，較小幅度為72.7%，從對水平應力的分布影響來說，工作面回采對底板影響最大，對頂板影響次之，兩幫影響較小。

(3)己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷頂?shù)装宕怪睉胁煌潭鹊脑黾樱绕涫堑装宕怪睉υ黾臃容^大，最大增加值為12.2MPa，位于底板深度10m的位置，增加幅度為78.2%，頂板相對增加幅度較小，最大增加值為2.6MPa，位于頂板深度10m的位置，增加幅度為17.2%，從垂直應力來說，工作面回采對底板影響最大，左幫其次，右?guī)痛沃敯遄钚　?/p>

3.3 “內(nèi)錯式”布置方式的分析

3.3.1 底板瓦斯抽放巷開挖

由圖10可以看出，底板瓦斯抽放巷開挖后，應力分布有以下規(guī)律：

圖10 一次采動影響圍巖應力場分布

(1)垂直應力在兩幫形成應力集中區(qū)，最大垂直應力為25MPa，應力集中系數(shù)為1.5，在兩幫深度1～6m，從底板高度-1～4m區(qū)域垂直應力大于18MPa，在水平方向呈橢圓形分布，而在淺部開采，應力集中系數(shù)一般為1.2～1.3，深部巷道兩幫承受著高垂直壓力的影響。

(2)垂直應力在頂?shù)装逍纬蓱档蛥^(qū)，范圍為頂?shù)装迳畈?～6m，從左幫寬度-1～6m的區(qū)域，應力降低區(qū)范圍較大，并且在頂?shù)装迳畈?～2m范圍內(nèi)垂直應力僅有4MPa，淺部圍巖處于低應力環(huán)境，利于巷道的維護。

(3)水平應力在巷道頂?shù)装逍纬蓱袇^(qū)，應力集中區(qū)范圍為頂?shù)装迳疃?～8m，在錨固區(qū)內(nèi)錨桿承受較大的剪應力。水平應力在巷道兩幫形成應力降低區(qū)，應力降低區(qū)范圍為兩幫深部0～8m，從底板-2～5m的區(qū)域。

3.3.2 己15-12050工作面機巷開挖

由圖11可知，機巷開挖后，底板瓦斯抽放巷圍巖應力具有以下分布規(guī)律：

圖11 二次采動影響圍巖應力場分布

(1)機巷開挖相當于對底板瓦斯抽放巷進行頂板卸壓，底板瓦斯抽放巷圍巖應力明顯向機巷方向轉(zhuǎn)移，左幫深度9m圍巖垂直應力為16MPa，而右?guī)蜕疃?m圍巖垂直應力為18MPa。

(2)底板瓦斯抽放巷兩幫水平應力和右?guī)痛怪睉υ跈C巷開挖前后基本不變，右?guī)蛻﹄S著靠近機巷，機巷開挖前后應力差逐漸增大，且開挖后垂直應力低于開挖前，最大垂直應力差為1.7MPa，機巷的開挖使底板瓦斯抽放巷處于更易維護的應力環(huán)境。

(3)機巷開挖后，頂?shù)装宕怪睉兴黾?，底板增加的幅度要大于頂板的幅度，但均變化不大，頂?shù)装逅綉龃?，頂板增加的幅度要大于底板，但也均變化不大?/p>

綜上所述，內(nèi)錯布置時，機巷開挖對圍巖水平應力影響較小，對垂直應力分布影響較大，其中對左幫影響相對最大。

3.3.3 己15-12050工作面回采

由圖12可知，己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷圍巖應力有以下分布規(guī)律：

(1)己15-12050工作面回采后，兩幫垂直應力變化較大，左幫垂直應力峰值在左幫深度2m，并且左幫在此處工作面回采前后垂直應力差最大，為14.6MPa，與回采前相比，減小156.7%，到左幫深度10m左右，回采前后垂直應力基本相同，右?guī)痛怪睉Ψ逯狄苍谟規(guī)蜕疃?m，右?guī)驮诖颂幑ぷ髅婊夭汕昂蟠怪睉Σ钭畲螅瑸?4.7MPa，與回采前相比，減小221.6%，到左幫深度4m左右，回采前后垂直應力差基本穩(wěn)定，為13MPa左右。

圖12 三次采動影響圍巖應力場分布

(2)己15-12050工作面回采后，兩幫水平應力均有較大幅度地降低，并且在兩幫變化規(guī)律較為一致，隨著遠離巷道表面，水平應力一直增大，但增大幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，與回采前相比，左幫水平應力最大減小值為6.2MPa，在左幫深度6m處，右?guī)退綉ψ畲鬁p小值為6.4MPa，在右?guī)蜕疃?0m處，并且在右?guī)?，隨著遠離工作面端頭，回采前后水平應力差逐漸增加。

(3)己15-12050工作面回采后，頂?shù)装宕怪睉胁煌潭鹊亟档?，并且隨著遠離巷道表面，回采前后垂直應力差逐漸增大，尤其在頂板，減小幅度較大，最大值為12.9MPa，回采后，頂板最大垂直應力僅為3.84MPa，在頂板深度5m處。

(4)己15-12050工作面回采后，頂?shù)装逅綉ψ兓^大，在底板，回采后水平應力有所增加，并且在底板深度5～6m范圍內(nèi)，出現(xiàn)回采前后同一位置水平應力相等的情況，在頂板，回采前后水平應力差變化較大，最大值出現(xiàn)在頂板深度4m的位置，最大值為15.5MPa，減小幅度為119.2%。

3.4 合理底板巷道布置方式的確定

綜上所述，雖然“內(nèi)錯式”布置兩幫移近量相對較大，但“外錯式”布置頂板下沉量較大，降低了巷道的安全系數(shù)，并且“外錯式”布置圍巖左幫垂直應力峰值高達40MPa，巷道長期處于高應力環(huán)境，不利于巷道的長期穩(wěn)定，而底板瓦斯抽放巷要為工作面回采上隅角瓦斯治理服務，“內(nèi)錯式”布置雖然底鼓量較大，但工作面回采后圍巖處于低應力環(huán)境中，利于巷道的長期穩(wěn)定，因此，合理的底板瓦斯抽放巷布置為“內(nèi)錯式”布置。

4 圍巖控制效果

己15-12050工作面機巷底板瓦斯抽放巷采用“內(nèi)錯式”布置，礦壓監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。

圖13 表面位移監(jiān)測曲線

由圖13可知：巷道開挖后，表面位移監(jiān)測曲線快速上升，持續(xù)時間16d左右，頂?shù)装迤骄平俣葹?.30mm/d，兩幫平均移近速度為3.25mm/d，隨著遠離掘進工作面，圍巖變形速度不斷減小，與掘進工作面距離63m，圍巖變形趨于穩(wěn)定，掘進影響期大約為22d，巷道達到穩(wěn)定狀態(tài)后，兩幫移近量為68mm，頂?shù)装逡平繛?7mm，圍巖控制效果較好。

5 結(jié)論

(1)首山一礦己15-12050工作面最適合布置底板瓦斯抽放巷的位置為底板深度大于20m，工作面前方10～15m和工作面后方10～15m的區(qū)域。

(2)底板瓦斯抽放巷可以綜合考慮“外錯式”和“內(nèi)錯式”。2種布置方式都必須經(jīng)歷3次采動影響，巷道圍巖應力環(huán)境復雜。綜合考慮應力環(huán)境、巷道圍巖變形以及安全生產(chǎn)，合理的底板瓦斯抽放巷布置為“內(nèi)錯式”。

(3)現(xiàn)場試驗表明，采用“內(nèi)錯式”的巷道布置方式，兩幫移近量為68mm，頂?shù)装逡平繛?7mm，圍巖控制效果較好。

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