近距離煤層采動對相鄰巷道圍巖應力及變形影響研究

桂 兵 曲延倫 郭現(xiàn)偉 楊 洋 秦 瑞 馬傳永

(兗州煤業(yè)股份有限公司，山東省鄒城市，273500)

我國近距離煤層群分布范圍廣，其開采方法以下行開采為主。隨著煤層間距減小，上下煤層間開采的相互影響會逐漸增大，特別是當煤層間距較小時，下部煤層開采前上覆巖層的完整性已受上部煤層開采破壞影響，其上方采空區(qū)為上部煤層開采垮落的矸石，且上部煤層開采后殘留的區(qū)段煤柱在底板形成集中應力，加之下煤層巷道的采掘引起圍巖應力重新分布，極易導致巷道變形大、煤壁片幫、底板底鼓，對工作面開采造成嚴重影響。

近年來，諸多專家學者對此進行了研究。朱濤等對極近距離煤層下煤層頂板結構與控制以及回采巷道礦壓規(guī)律進行了研究；朱術云、孟祥瑞等采用彈性半平面體力學模型給出了采場底板巖層應力的解析解；張華磊等采用附加應力計算方法建立了采場底板應力分布的力學模型及采動支承壓力傳播的力學模型；閆淑緣等研究了深部近距離煤層群下向卸壓開采高應力演化的特征?；诖耍疚牟捎肍LAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件建立近距離煤層開采的三維數(shù)值模型，研究深部開采上煤層工作面采動應力底板傳播規(guī)律，分析上煤層相鄰工作面開采前后下煤層巷道圍巖應力分布及變形特征，研究成果為深部礦井開采和巷道支護提供理論依據(jù)，對指導礦井的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程地質概況

濟寧三號井183下05工作面運輸平巷所在煤層為山西組3下煤層，以暗煤為主，亮煤次之，夾有鏡煤及絲炭條帶，內生裂隙發(fā)育。煤厚2.30～5.54 m，平均厚度4.20 m，煤層傾角最大7°，平均3°。上方3上煤層厚0～4.1 m，平均厚度2.20 m。北部區(qū)域3上煤層與3下煤層間距13～30 m，平均21.5 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 183下05工作面頂?shù)装迩闆r表

運輸平巷位于工作面西側，西側3上煤層為183上07工作面(開拓中)。運輸平巷北段位于上煤層183上06(北)采空區(qū)下方，向采空區(qū)內錯距離為20 m，南段位于183上06(南)工作面(未開采)下方。

2 數(shù)值模型的建立和模擬方案

2.1 FLAC3D數(shù)值模型

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行建模與賦參。模型尺寸為1150 m×600 m×110 m(長×寬×高)，模型左右前后邊界施加水平約束，使邊界水平位移量為零；底部邊界固定，使底部邊界水平、垂直位移量均為零；采用摩爾—庫倫模型，三維數(shù)值計算模型如圖1所示。

2.2 數(shù)值模擬方案

為研究183上煤層工作面開采對下煤層卸壓巷道圍巖應力及變形的影響，根據(jù)現(xiàn)場實際開采情況，數(shù)值模擬方案分為兩種：第一種，首先回采183上06(北)工作面，模擬分析一側采空條件下底板垂直應力和水平應力分布規(guī)律；然后回采183上07工作面，模擬分析兩側采空條件下底板垂直應力和水平應力分布規(guī)律。第二種，在183上06(北)工作面采空區(qū)下掘進183下05工作面運輸平巷，模擬分析一側采空條件下巷道圍巖應力分布及變形特征；然后回采183上07工作面，模擬分析兩側采空條件下巷道圍巖分布及變形特征，綜合對比分析3上煤層不同開采條件對下煤層巷道圍巖應力分布及變形的影響規(guī)律。

圖1 三維數(shù)值模型

3 上煤層采場應力分布及底板傳播規(guī)律

3.1 巷道圍巖垂直應力分布規(guī)律

上煤層垂直應力分布云圖及變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著183上06(北)工作面開采，上覆巖層逐漸發(fā)生垮落，采場應力重新分布，在采空區(qū)四周煤體上形成側向支承壓力。此時在183上07工作面煤體上產(chǎn)生應力集中，應力峰值為45 MPa，應力峰值距離煤壁6 m。隨著應力峰值向采空區(qū)轉移，支承壓力迅速降低，并在采空區(qū)煤壁邊緣附近，支承壓力降到最小值；隨著向采空區(qū)深部轉移，支承壓力又逐漸增大，但低于原巖應力。側向支承壓力又通過煤體在底板煤巖體內傳播，形成底板煤巖體的局部應力集中。183上07工作面開采后，工作面超前支承壓力與側向支承壓力在工作面前方靠近采空區(qū)側產(chǎn)生應力疊加，疊加應力通過煤層在底板內傳播，造成底板巖層內局部應力集中。隨著應力集中向底板巖層內轉移，底板應力集中程度迅速降低，3上、3下煤層夾層內支承壓力迅速降低，應力最大值約為40 MPa，距離煤壁5 m，向采空區(qū)轉移過程中，垂直應力衰減速度相比上煤層明顯減小。隨著向采空區(qū)轉移，3下煤層垂直應力衰減速度也進一步減小。

圖2 上煤層垂直應力分布云圖及變化曲線

3.2 巷道圍巖水平應力分布規(guī)律

上煤層水平應力分布云圖及變化曲線如圖3所示。由圖3可知，183上06(北)工作面開采后，在垂直應力作用下，183上07工作面煤體內同樣出現(xiàn)水平應力集中現(xiàn)象，但進入采空區(qū)后，由于采空區(qū)矸石堆積，不傳遞水平作用力，水平應力完全卸壓狀態(tài)，隨著采空區(qū)深部移動，水平應力在壓實區(qū)又有所增加，但遠遠低于原巖應力(側壓系數(shù)0.74，水平原巖應力14.28 MPa)。隨著向底板深部轉移，在3上和3下煤層夾層內，水平應力未出現(xiàn)明顯應力集中現(xiàn)象，但是隨著向183上06(北)采空區(qū)移動，水平應力先降低后增大，在采空區(qū)下方未出現(xiàn)水平應力卸壓，其值基本上和水平原巖應力相等。3下煤層的水平應力相比夾層內有所增大，隨著向采空區(qū)轉移，雖然出現(xiàn)減小和增大的波動，但是波動幅度比較小，最大值為14.8 MPa，距離煤壁約10 m。在183上06(北)采空區(qū)下方，3下煤層同樣與水平原巖應力相等。3上煤層兩側采空后，3上煤層內的水平應力最大值明顯增大，最大值約為30 MPa，進入183上06(北)采空區(qū)內，水平應力出現(xiàn)明顯的卸壓，遠遠低于原巖應力。隨著向底板深部轉移，水平應力明顯減小，同樣在采空區(qū)內水平應力未出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象，并且183上06(北)采空區(qū)下方3下煤層內水平應力為15 MPa，高于原巖應力，增大范圍相對于一側采空時也略增。

圖3 上煤層水平應力分布云圖及變化曲線

4 下煤層回采巷道圍巖應力分布及變形規(guī)律

4.1 巷道圍巖垂直應力分布規(guī)律

下煤層巷道圍巖垂直應力分布云圖及變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，183下05工作面運輸平巷開挖后，在巷道兩側煤體內形成應力集中，巷道靠近183上07工作面幫側支承壓力峰值大于另外一幫，最大支承壓力為27 MPa，且受183上07工作面底板傳播應力影響嚴重。巷道采空區(qū)側幫部側向支承壓力明顯降低，最大支承壓力為22 MPa，應力集中系數(shù)僅1.14，基本上不受183上07工作面底板傳播應力的影響。

183上07工作面開采后，3上煤層開采范圍增大，上覆巖層充分垮落，183下05工作面運輸平巷基本位于傾向采空區(qū)中部，上覆垮落巖層已經(jīng)壓實，巷道圍巖處于原巖應力狀態(tài)，埋深大，因此兩幫應力集中程度高。此時，巷道靠近3上07工作面一側最大支承壓力為32 MPa，183上06(北)采空區(qū)側幫部側最大支承壓力為30 MPa，巷道幫部應力集中系數(shù)為1.6，明顯大于一側采空時巷道兩幫的垂直應力。

4.2 巷道圍巖水平應力分布規(guī)律

下煤層巷道圍巖水平應力分布云圖及變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，巷道開掘后，圍巖水平應力重新分布，和開掘前水平應力分布明顯不同，在巷道頂板和兩側煤體內水平應力集中現(xiàn)象更加明顯。由于巷道頂板失去支撐，頂板出現(xiàn)下沉，在183上07工作面底板水平應力作用下加劇下沉，巖層內出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，而巷道兩幫由于圍巖采動應力的作用，煤體間產(chǎn)生水平擠壓現(xiàn)象。183上07工作面?zhèn)认锏缼筒克綉ψ畲笾禐?5 MPa，采空區(qū)側幫部水平應力最大值為14.6 MPa，巷道兩幫水平應力集中最大值相差較小，183上07工作面?zhèn)认锏缼筒克綉β源笥诓煽諈^(qū)側。183上07工作面開采后，運輸平巷位于采空區(qū)壓實區(qū)下方，巷道上方兩側均為采空區(qū)，因此在巷道兩幫形成基本對稱的水平應力集中。巷道兩幫水平應力最大值相等，均為15.6 MPa。

圖4 下煤層巷道圍巖垂直應力分布云圖及變化曲線

圖5 下煤層巷道圍巖水平應力分布云圖及變化曲線

4.3 巷道圍巖變形規(guī)律

下煤層巷道圍巖位移變化云圖如圖6所示。由圖6可以看出，巷道開掘后，由于183上07工作面?zhèn)却怪睉γ黠@大于巷道采空區(qū)側幫部，造成工作面?zhèn)葞筒棵后w破壞嚴重，變形位移量大。183上07工作面?zhèn)绕较飵筒孔畲笞冃挝灰茷?77 mm，采空區(qū)側幫部最大變形位移為348 mm，183上07工作面?zhèn)葞筒课灰屏棵黠@大于采空區(qū)側幫部。巷道沿底板掘進，頂板為煤層，頂板下沉量大。運輸平巷道頂板最大下沉量為131 mm，底板底鼓量為84 mm，頂板下沉量大于底板底鼓量。183上07工作面采空區(qū)側巷道幫部最大變形位移為437 mm，與一側采空相比，183上07工作面采空區(qū)側幫部增加了32%。183上06(北)采空區(qū)側幫部最大變形位移為322 mm，183上06(北)采空區(qū)側幫部僅增加了8%。巷道頂板最大下沉量為202 mm，底板底鼓量為138 mm，與一側采空相比，頂板下沉量和巷道底鼓量均明顯增大，主要是由于采空區(qū)上覆巖層垮落壓實，巷道圍巖處于原巖應力狀態(tài)水平應力集中成度高。

圖6 下煤層巷道圍巖位移變化云圖

5 結論

(1)上煤層一側采空時，在采空區(qū)周圍煤體上產(chǎn)生側向支承壓力，側向支承壓力通過煤體傳遞到底板巖層內，引起底板應力的重新分布，在局部區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。183上07工作面開采之后，工作面前方將產(chǎn)生超前支承壓力，超前支承壓力與183上06(北)采空區(qū)側向支承壓力在183上07工作面前方煤體靠近采空區(qū)側產(chǎn)生應力疊加，疊加應力通過煤體傳遞到底板巖層內，上煤層底板中應力影響范圍增大。

(2)上煤層一側采空時，膠順巷道圍巖應力較低，基本不受底板應力傳播影響。但由于水平應力大，在水平方向上對巷道產(chǎn)生擠壓，導致底鼓量增加，頂板下沉量小。當上煤層工作面兩側采空后，受3上07工作面開采影響，下煤層回采巷道頂板應力集中程度增大，導致兩幫變形量、頂板下沉量和底板底鼓量增大。

(3)通過對比分析，上煤層兩側采空后，相對于一側采空，垂直應力和水平應力增大，應力通過煤層傳播到底板巖層中，導致下煤層巷道的頂板下沉量和底板底鼓量增大，兩幫變形量增大。