近距離煤層采動(dòng)下底板巷道圍巖應(yīng)力分布與變形破壞特征

謝漢峰

（臨汾宏大錦程煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

近距離煤層開采過程中，上部煤層開采必然擾動(dòng)下部煤層，下部煤層的底板巷道受采動(dòng)影響，圍巖體破壞嚴(yán)重、承載能力差，易出現(xiàn)巷道大變形現(xiàn)象，甚至誘發(fā)災(zāi)害事故，影響礦井正常生產(chǎn)[1-5]。臨汾宏大錦程煤業(yè)同時(shí)開采4#和9#煤層，其中4#煤層均厚8.72 m，9#煤層均厚12.3 m，煤層間距35～40 m。由于4#煤層工作面開采速度相對(duì)較快，導(dǎo)致位于4#煤層底板的9#煤層回采巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道大范圍出現(xiàn)底鼓和嚴(yán)重片幫，局部出現(xiàn)冒頂事故。為此，本文以錦程煤業(yè)9#煤層19106 輔運(yùn)巷上覆14106 回采工作面為工程背景，開展近距離采空區(qū)下底板巷道圍巖應(yīng)力分布與變形破壞特征研究，為近距離采空區(qū)下底板巷道穩(wěn)定控制提供指導(dǎo)。

1 工程概況

錦程煤業(yè)9#煤層19106 輔助運(yùn)輸巷服務(wù)于19106 工作面，主要擔(dān)負(fù)工作面行人、運(yùn)料、回風(fēng)、安全出口等任務(wù)。19106 工作面開采范圍內(nèi)煤層平均厚度12.3 m，老頂為石灰?guī)r，厚度3.09～10.55 m，中厚層狀石灰?guī)r，深灰色生物碎屑灰?guī)r，堅(jiān)硬，穩(wěn)固性好；直接頂為灰質(zhì)泥巖，厚度0.00～0.2 m，灰色、灰黑色，巖性較軟；底板為鋁土質(zhì)泥巖，厚度2.37～5.8 m，巖性較硬，具滑感，吸水性、可塑性中等。19106輔助運(yùn)輸巷位于14106回采工作面下方，垂直距離約38 m，巷道掘進(jìn)斷面為矩形，掘進(jìn)高度4.3 m，掘進(jìn)寬度2.7 m。19106 輔助運(yùn)輸巷和14106回采工作面平剖面示意圖如圖1。根據(jù)礦井采掘規(guī)劃，19106 輔助運(yùn)輸巷將面臨14106 回采工作面采動(dòng)影響，巷道易出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞。為此，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，開展近距離采空區(qū)下底板巷道圍巖應(yīng)力分布與變形破壞特征研究，為錦程煤業(yè)類似條件巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖1 19106 輔助運(yùn)輸巷和14106 工作面平剖面示意圖

2 上煤層采空區(qū)下底板破壞形態(tài)

上煤層開采后，工作面頂?shù)讕r層應(yīng)力環(huán)境調(diào)整，在工作面前方煤壁形成超前支承應(yīng)力，并將擾動(dòng)底板巖層，在底板巖層內(nèi)形成滑移線場(chǎng)。根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，可將底板巖層受擾動(dòng)形成的塑性區(qū)劃分為主動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅰ、過渡應(yīng)力區(qū)Ⅱ、被動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅲ。主動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅰ底板巖層主要受超前支承應(yīng)力的垂直壓縮作用；過渡應(yīng)力區(qū)Ⅱ底板巖層受超前支承應(yīng)力的垂直壓縮作用和主動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅰ圍巖變形對(duì)其的擾動(dòng)；被動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅲ底板巖層主要受上煤層采空區(qū)的卸壓擾動(dòng)。14106 工作面底板塑性區(qū)劃分如圖2。根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，可分析計(jì)算得到14106 工作面超前支承壓力作用下巷道底板破壞深度。圖中O 點(diǎn)位置為14106 工作面煤壁，主動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅰ、被動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅲ與底板巖層的夾角可根據(jù)公式計(jì)算得到。

圖2 上煤層采空區(qū)下底板塑性區(qū)劃分

2.1 理論計(jì)算

14106 工作面開采后底板最大破壞深度可由公式（1）計(jì)算得到：

式中：h1表示上煤層采空區(qū)下底板巖層破壞深度；La表示工作面前方煤壁至超前范圍內(nèi)應(yīng)力峰值點(diǎn)的距離；φ0表示上煤層采空區(qū)下底板巖層的內(nèi)摩擦角。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，La=15 m，φ0=23°，據(jù)此可計(jì)算得到，h1=18.8 m。

上煤層開采后底板最大破壞深度位置距工作面煤壁的水平距離可Lb由公式（2）計(jì)算得到：

式中：將h1=18.8 m 代入公式（2），可計(jì)算得到Lb=8 m。

2.2 鉆孔窺視

為了更準(zhǔn)確反映14106 工作面開采后采空區(qū)底板巖層的破壞情況，在19106 輔助運(yùn)輸巷頂板布置鉆孔窺視觀測(cè)站。設(shè)計(jì)布置3 組測(cè)站，每組3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，巷道中間向頂板垂直施工1 個(gè)頂板垂直鉆孔，兩幫沿與垂直方向呈45°夾角各施工1個(gè)頂幫傾斜鉆孔。鉆孔直徑設(shè)計(jì)42 mm，鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)30 m。19106輔助運(yùn)輸巷鉆孔窺視觀測(cè)站布置示意圖如圖3。

圖3 鉆孔窺視觀測(cè)站布置示意圖

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，總結(jié)分析14106 工作面開采后采空區(qū)底板巖層的破壞情況，具體如下：

1）工作面?zhèn)软攷蛢A斜鉆孔。鉆孔揭露0～21.5 m 范圍孔壁圍巖較完整，存在少量橫向裂隙，且微小裂隙較發(fā)育；鉆孔揭露21.5～28.9 m 范圍孔壁圍巖較破碎，裂隙發(fā)育。

2）巷道中部頂板垂直鉆孔。鉆孔揭露0～24.5 m 范圍孔壁圍巖較完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的破碎區(qū)域。鉆孔揭露24.5～29.0 m 范圍孔壁圍巖較破碎，裂隙發(fā)育，且存在明顯離層現(xiàn)象。

3）煤柱側(cè)頂幫傾斜鉆孔。鉆孔揭露0～23.5 m范圍孔壁圍巖較完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的破碎區(qū)域。鉆孔揭露23.5～28.5 m范圍孔壁圍巖較破碎，裂隙發(fā)育。

根據(jù)上述分析可知，在鉆孔揭露23.5～29 m 范圍內(nèi)孔壁圍巖較破碎，由于頂幫鉆孔與垂直方向呈45°夾角，14106 工作面開采后采空區(qū)的底板破壞深度約21.4 m（38 m-23.5 m×cos45°=21.4 m），與理論計(jì)算結(jié)果吻合性良好。同時(shí)，鉆孔窺視結(jié)果顯示，14106 工作面開采后采空區(qū)的底板巖層21.4 m 至9#煤層之間巖層完整性較好。

3 底板巷道圍巖應(yīng)力分布與變形破壞特征

3.1 底板巷道圍巖應(yīng)力分布特征

采用應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)14106 工作面回采過程中19106 輔助運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力分布特征，測(cè)站布置在超前14106工作面120 m位置，布置7個(gè)應(yīng)力傳感器，測(cè)點(diǎn)位置分別深入煤體2 m、3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與距工作面距離的關(guān)系曲線圖

如圖4，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨工作面推進(jìn)均經(jīng)歷三個(gè)階段，且各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線具有明顯的相似性。在超前工作面25～100 m 范圍內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力未出現(xiàn)明顯變化，應(yīng)力值分布在4～6 MPa；從超前工作面25 m 開始，隨著工作面的推進(jìn)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力出現(xiàn)顯著升高，最大應(yīng)力值分布在7～12 MPa；超前工作面25 m 至滯后工作面40 m 范圍內(nèi)，巷道處于采動(dòng)影響范圍，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較高；隨著工作面的不斷推進(jìn)，在滯后工作面40 m 范圍外，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐漸降低，且應(yīng)力整體較穩(wěn)定。綜上，14106 工作面回采對(duì)19106 輔助運(yùn)輸巷的影響主要在超前工作面25 m 至滯后工作面40 m，影響范圍約65 m。在超前工作面15 m 位置，19106輔助運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力達(dá)到峰值（平均應(yīng)力值9.71 MPa），平均應(yīng)力集中系數(shù)1.91。

3.2 底板巷道圍巖變形破壞特征

采用十字測(cè)試法監(jiān)測(cè)14106 工作面回采過程中19106 輔助運(yùn)輸巷圍巖變形破壞特征，測(cè)站布置在超前14106 工作面120 m 位置，布置5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。

圖5 測(cè)站巷道變形與距工作面距離的關(guān)系曲線圖

如圖5 所示，19106 輔助運(yùn)輸巷頂板移近量最大約156 mm，底鼓量最大約469 mm，表明底鼓是19106 輔助運(yùn)輸巷的主要變形破壞特征。19106 輔助運(yùn)輸巷在超前工作面50 m 時(shí)，底板巷道變形量與變形速度明顯增加，測(cè)站超前工作面50 m 到滯后工作面40 m 范圍內(nèi)，巷道受14106 工作面采動(dòng)支承壓力劇烈，變形量較大，而后隨著14106 工作面的繼續(xù)推進(jìn)，測(cè)站位置巷道圍巖變形逐漸穩(wěn)定，與應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果較吻合。

綜上，上煤層工作面回采形成的支承應(yīng)力將對(duì)底板巷道產(chǎn)生擾動(dòng)，其影響具有時(shí)間性和空間性。當(dāng)?shù)装逑锏绹鷰r地質(zhì)條件差、巷道難以控制時(shí)，可采取超前加強(qiáng)支護(hù)或提高工作面推進(jìn)速度的方法，緩解上煤層工作面回采對(duì)底板巷道的擾動(dòng)影響。

4 結(jié)論

以錦程煤業(yè)9#煤層19109 輔助運(yùn)輸巷上覆14106 回采工作面為工程背景，分析了上煤層工作面回采后采空區(qū)下底板破壞形態(tài)，理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了14106 工作面采空區(qū)下底板破壞深度，其吻合性良好。上煤層14106 工作面回采形成的支承應(yīng)力對(duì)底板19106 輔助運(yùn)輸巷產(chǎn)生的擾動(dòng)具有時(shí)間性和空間性，可采取超前加強(qiáng)支護(hù)或提高工作面推進(jìn)速度的方法緩解。