采动影响下底板巷道合理布置位置研究

朱献伟，赵红超，马 闯

(1.河南平宝煤业有限公司 首山一矿，河南 平顶山 462500；2.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着煤矿开采深度的增加，自重应力场和构造应力场对巷道围岩的叠加作用将进一步加强。煤层开采之后，顶底板岩层的应力场将发生变化，其结果必将造成顶底板岩层产生变形、位移甚至破坏。对于一般掘进扰动巷道，通常采用高强度、高预应力、让压支护技术基本上可以有效地控制巷道围岩变形。但对于处于采动影响作用下次生应力场发育的底板瓦斯抽放巷，在考虑合理支护方案的基本前提下，必须重点考虑巷道的布置位置，以避开深部强采动带来的高支承压力的影响，从而使巷道处于较易维护的次生应力环境中。为此，本文以首山一矿己15-12050工作面底板瓦斯抽放巷为研究对象，重点分析在叠加应力场中受采动影响作用下底板巷道的合理布置方式。

1 工程概况

首山一矿主采煤层为己16、己17煤，直接顶板以砂质泥岩(泥岩)为主，底板以泥岩为主，局部为细粒砂岩。己15煤厚度1.80～4.71m，平均3.50m。试验巷道己15-12050工作面机巷底板抽放巷布置见图1，平均埋深为750m，实际生产地质条件见表1。

图1 试验巷道采掘工程平面

2 底板瓦斯抽放巷应力分布规律

2.1底板应力分布规律理论计算[2-3]

由于岩层强度大于煤体强度，在上部覆岩自重作用下，煤层横向变形大于岩层横向变形。因此，煤层相对于岩层有一向外运动的趋势，这样就在煤层与其顶板之间形成一摩擦力即剪切应力。如图2所示，剪切应力为τzx，煤柱内水平应力为σx，采空区侧巷帮支护强度为Px，煤层厚度为m。

图2 煤柱内极限平衡力学模型

在极限平衡区宽度x0为：

(1)

(2)

极限平衡区内载荷在底板产生的垂直应力σz1和水平应力σx1分别为：

(3)

则弹性区内载荷在底板产生的垂直应力σz2和水平应力σx2分别为

(4)

式中，煤层厚度m为3.5m；内摩擦角φ为25°；黏聚力为1.5MPa；水平侧压系数A为1.3；上工作面巷帮支护阻力Px为0.3MPa；侧向支承压力集中系数K为3；上覆岩层平均容重γ为25 kN/m3；工作面埋深H为750m；煤层与顶底板摩擦系数f为0.2。

将上述数据代入式(4)可以求得工作面底板任何点的应力，图3为工作面后方20m到工作面前方20m底板30m范围内应力分布规律。

由图3可以看出，底板应力分布具有以下规律：

(1)在工作面前方5m内，因煤体破碎而承载能力急剧下降，垂直应力较低；在工作面前方10～20m为应力集中区，在底板深度方向，垂直应力 先增大后减小，而在工作面后方20m，深度小于20m的范围内，围岩处于应力降低区。

图3 工作面底板垂直应力分布规律

(2)在工作面前方10～20m，底板垂直应力在深度7m处达到峰值，随后不断减小，在底板深度大于20m时，垂直应力集中系数在1.6～2.3之间，但同时围岩的承载能力较高。

2.2 采动影响底板应力分布数值分析

采用FLAC3D对底板应力分布进行数值模拟，数值计算模型参数选择首山一矿己15-12050工作面实际围岩力学参数(参照表1)。模型大小为180m×80m×83.5m，单元总数为321600，节点总数为337348。该模型侧面限制水平移动，底面限制垂直位移，上表面为应力边界，施加荷载15MPa以模拟上覆岩体自重，材料符合摩尔库伦模型。分别研究底板巷道掘进及采动影响阶段垂直应力分布情况。

2.2.1 掘进影响阶段

图4为己15-12050工作面机巷开挖后垂直应力和水平应力分布。从图4可以看出，底板巷道应力分布具有以下规律：

图4 机巷掘进后底板应力场

(1)巷道开挖后，在两帮形成垂直应力集中区，两帮应力峰值距巷道表面距离为6m，顶底板形成较大范围的低应力区，底板低应力区深度为25m，并且在底板7m范围内，围岩垂直应力低于10MPa。

(2)随着远离巷道底板，底板应力在小于10MPa时，增加较快，大于10MPa后，应力增长速度逐渐减慢，应力梯度越来越平缓。在水平方向，底板垂直应力先减小后增大，并且在底板深度为14m平面应力降低区范围最大。

(3)在巷道顶底板形成水平应力集中区，因松软类底板和近距离煤层的影响，在底板形成较大范围的水平应力集中区，范围为底板深度大于10m，巷道前后方10m的范围。

2.2.2 回采影响阶段

图5为己15-12050工作面回采后底板垂直应力分布。

图5 回采后底板垂直应力场分布

从图5可知：

(1)工作面回采后，在工作面后方形成应力降低区，工作面前方形成应力升高区，进入深部开采后，矿压显现剧烈，在工作面后方底板深度20m，呈三角形分布的应力降低区内最大应力仅为3MPa，在工作面前方5～14m范围内，应力集中系数大于2，应力集中系数最大为3.2。

(2)在底板深度超过20m，应力梯度变缓，并且最大应力集中系数为1.25，在水平方向工作面前方15m至工作面后方30m范围内，垂直应力最大为25MPa，最小为3MPa，应力集中系数0.15～1.25，为较合理的底板瓦斯抽放巷布置位置，而在工作面前方超过15m范围，应力集中系数超过1.25，巷道周边应力较大，维护困难，但考虑瓦斯钻孔不宜过长，在工作面后方，底板瓦斯抽放巷不应超过15m。从垂直应力分布来说，最适合布置底板瓦斯抽放巷的位置为底板深度大于20m，工作面前方15m至工作面后方15m的区域。

综合考虑己15-12050工作面机巷开挖后在底板形成较大范围的水平应力集中区、己15-12050工作面回采后垂直应力分布规律，最适合布置底板瓦斯抽放巷的位置为底板深度大于20m，工作面前方10～15m和工作面后方10～15m的区域。

3 采动影响底板巷道合理位置确定

3.1 底板巷道布置位置方案的提出

考虑瓦斯抽放钻孔不宜过长、抽放效果以及底板瓦斯抽放巷的维护等因素，提出图6所示的底板瓦斯抽放巷布置方式：

(1)外错布置与己15-12050工作面机巷水平距离15m，与机巷底板垂直距离为20m，图6A处；

(2)内错布置与己15-12050工作面机巷水平距离15m，与机巷底板垂直距离为20m，图6B处。

图6 底板瓦斯抽放巷的内错布置和外错布置

外(内)错布置底板瓦斯抽放巷均要经受3次采掘影响：底板瓦斯抽放巷开挖引起的掘进扰动；己15-12050工作面机巷开挖引起的掘进扰动；己15-12050工作面回采引起的采动扰动。

3.2 “外错式”布置方式的分析

3.2.1 底板瓦斯抽放巷开挖

图7为底板瓦斯抽放巷开挖引起的应力场分布图。由图7可以看出，底板瓦斯抽放巷开挖后，应力分布有以下规律：

图7 一次采动影响围岩应力场分布

(1)垂直应力在两帮形成应力集中区，最大垂直应力为25MPa，应力集中系数为1.5，在两帮深度1～6m，从底板高度-1～4m区域垂直应力大于18MPa，在水平方向呈椭圆形分布，而在浅部开采，应力集中系数一般为1.2～1.3。

(2)垂直应力在顶底板形成应力降低区，范围为顶底板深部0～6m，从左帮宽度-1～6m的区域，应力降低区范围较大，并且在顶底板深部0～2m范围内垂直应力仅有4MPa，浅部围岩处于低应力环境，利于巷道的维护。

(3)水平应力在巷道顶底板形成应力集中区，应力集中区范围为顶底板深度2～8m，巷道两帮形成应力降低区，应力降低区为两帮深部0～8m，从底板-2～5m的区域。

3.2.2 己15-12050工作面机巷开挖

图8为机巷开挖后，底板瓦斯抽放巷围岩应力情况。由图8可以看出：

图8 二次采动影响围岩应力场分布

(1)机巷开挖相当于对底板瓦斯抽放巷进行顶板卸压，围岩应力明显向机巷方向转移，右帮深度9m围岩垂直应力为16MPa，而左帮深度8m围岩垂直应力为18MPa。

(2)底板瓦斯抽放巷两帮水平应力和左帮垂直应力在机巷开挖后均有不同程度的增加，但变化较小，右帮垂直应力随着靠近机巷，应力差逐渐增大，且开挖后垂直应力低于开挖前，最大差值为1.7MPa，底板瓦斯抽放巷处于较易维护的应力环境。

(3)机巷开挖后，顶板垂直应力有所降低，底板垂直应力有所升高，底板水平应力基本不变，但顶板水平应力变化较大，随着深入顶板，在同一位置，开挖后水平应力不断减小，开挖后与开挖前水平应力差不断增大。

3.2.3 己15-12050工作面回采

图9为己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷围岩应力均分布情况。

图9 三次采动影响围岩应力场分布

由图9可知，己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷围岩应力有以下分布规律：

(1)底板瓦斯抽放巷两帮垂直应力均大幅度增加，左帮垂直应力峰值从25.4MPa增加到40.2MPa，增加58.3%；右帮垂直应力峰值从24.8MPa增加到33MPa，增加33.1%。两帮承受着高支承压力的影响，煤帮表面围岩从外及里破碎，应力向深部转移，左帮垂直应力峰值从开挖前的2m转移到深部的3m，而水平应力在回采前后基本不变；右帮水平应力在回采后有所降低，并且随着靠近工作面端头，减小的幅度越来越大，最大应力差为2MPa。

(2)己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷顶底板水平应力呈不规则分布，受采动影响较大，顶底板水平应力均有大幅度的减小，顶帮水平应力最大减小值为7.1MPa，位于顶板深度5m的位置，减小幅度为34.8%，底板水平应力最大减小值为10.9MPa，位于底板深度3m的位置，较小幅度为72.7%，从对水平应力的分布影响来说，工作面回采对底板影响最大，对顶板影响次之，两帮影响较小。

(3)己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷顶底板垂直应力均有不同程度的增加，尤其是底板垂直应力增加幅度较大，最大增加值为12.2MPa，位于底板深度10m的位置，增加幅度为78.2%，顶板相对增加幅度较小，最大增加值为2.6MPa，位于顶板深度10m的位置，增加幅度为17.2%，从垂直应力来说，工作面回采对底板影响最大，左帮其次，右帮次之，顶板最小。

3.3 “内错式”布置方式的分析

3.3.1 底板瓦斯抽放巷开挖

由图10可以看出，底板瓦斯抽放巷开挖后，应力分布有以下规律：

图10 一次采动影响围岩应力场分布

(1)垂直应力在两帮形成应力集中区，最大垂直应力为25MPa，应力集中系数为1.5，在两帮深度1～6m，从底板高度-1～4m区域垂直应力大于18MPa，在水平方向呈椭圆形分布，而在浅部开采，应力集中系数一般为1.2～1.3，深部巷道两帮承受着高垂直压力的影响。

(2)垂直应力在顶底板形成应力降低区，范围为顶底板深部0～6m，从左帮宽度-1～6m的区域，应力降低区范围较大，并且在顶底板深部0～2m范围内垂直应力仅有4MPa，浅部围岩处于低应力环境，利于巷道的维护。

(3)水平应力在巷道顶底板形成应力集中区，应力集中区范围为顶底板深度2～8m，在锚固区内锚杆承受较大的剪应力。水平应力在巷道两帮形成应力降低区，应力降低区范围为两帮深部0～8m，从底板-2～5m的区域。

3.3.2 己15-12050工作面机巷开挖

由图11可知，机巷开挖后，底板瓦斯抽放巷围岩应力具有以下分布规律：

图11 二次采动影响围岩应力场分布

(1)机巷开挖相当于对底板瓦斯抽放巷进行顶板卸压，底板瓦斯抽放巷围岩应力明显向机巷方向转移，左帮深度9m围岩垂直应力为16MPa，而右帮深度8m围岩垂直应力为18MPa。

(2)底板瓦斯抽放巷两帮水平应力和右帮垂直应力在机巷开挖前后基本不变，右帮应力随着靠近机巷，机巷开挖前后应力差逐渐增大，且开挖后垂直应力低于开挖前，最大垂直应力差为1.7MPa，机巷的开挖使底板瓦斯抽放巷处于更易维护的应力环境。

(3)机巷开挖后，顶底板垂直应力均有所增加，底板增加的幅度要大于顶板的幅度，但均变化不大，顶底板水平应力均增大，顶板增加的幅度要大于底板，但也均变化不大。

综上所述，内错布置时，机巷开挖对围岩水平应力影响较小，对垂直应力分布影响较大，其中对左帮影响相对最大。

3.3.3 己15-12050工作面回采

由图12可知，己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷围岩应力有以下分布规律：

(1)己15-12050工作面回采后，两帮垂直应力变化较大，左帮垂直应力峰值在左帮深度2m，并且左帮在此处工作面回采前后垂直应力差最大，为14.6MPa，与回采前相比，减小156.7%，到左帮深度10m左右，回采前后垂直应力基本相同，右帮垂直应力峰值也在右帮深度2m，右帮在此处工作面回采前后垂直应力差最大，为14.7MPa，与回采前相比，减小221.6%，到左帮深度4m左右，回采前后垂直应力差基本稳定，为13MPa左右。

图12 三次采动影响围岩应力场分布

(2)己15-12050工作面回采后，两帮水平应力均有较大幅度地降低，并且在两帮变化规律较为一致，随着远离巷道表面，水平应力一直增大，但增大幅度逐渐减小，最终趋于稳定，与回采前相比，左帮水平应力最大减小值为6.2MPa，在左帮深度6m处，右帮水平应力最大减小值为6.4MPa，在右帮深度10m处，并且在右帮，随着远离工作面端头，回采前后水平应力差逐渐增加。

(3)己15-12050工作面回采后，顶底板垂直应力均有不同程度地降低，并且随着远离巷道表面，回采前后垂直应力差逐渐增大，尤其在顶板，减小幅度较大，最大值为12.9MPa，回采后，顶板最大垂直应力仅为3.84MPa，在顶板深度5m处。

(4)己15-12050工作面回采后，顶底板水平应力变化较大，在底板，回采后水平应力有所增加，并且在底板深度5～6m范围内，出现回采前后同一位置水平应力相等的情况，在顶板，回采前后水平应力差变化较大，最大值出现在顶板深度4m的位置，最大值为15.5MPa，减小幅度为119.2%。

3.4 合理底板巷道布置方式的确定

综上所述，虽然“内错式”布置两帮移近量相对较大，但“外错式”布置顶板下沉量较大，降低了巷道的安全系数，并且“外错式”布置围岩左帮垂直应力峰值高达40MPa，巷道长期处于高应力环境，不利于巷道的长期稳定，而底板瓦斯抽放巷要为工作面回采上隅角瓦斯治理服务，“内错式”布置虽然底鼓量较大，但工作面回采后围岩处于低应力环境中，利于巷道的长期稳定，因此，合理的底板瓦斯抽放巷布置为“内错式”布置。

4 围岩控制效果

己15-12050工作面机巷底板瓦斯抽放巷采用“内错式”布置，矿压监测结果如图13所示。

图13 表面位移监测曲线

由图13可知：巷道开挖后，表面位移监测曲线快速上升，持续时间16d左右，顶底板平均移近速度为1.30mm/d，两帮平均移近速度为3.25mm/d，随着远离掘进工作面，围岩变形速度不断减小，与掘进工作面距离63m，围岩变形趋于稳定，掘进影响期大约为22d，巷道达到稳定状态后，两帮移近量为68mm，顶底板移近量为27mm，围岩控制效果较好。

5 结论

(1)首山一矿己15-12050工作面最适合布置底板瓦斯抽放巷的位置为底板深度大于20m，工作面前方10～15m和工作面后方10～15m的区域。

(2)底板瓦斯抽放巷可以综合考虑“外错式”和“内错式”。2种布置方式都必须经历3次采动影响，巷道围岩应力环境复杂。综合考虑应力环境、巷道围岩变形以及安全生产，合理的底板瓦斯抽放巷布置为“内错式”。

(3)现场试验表明，采用“内错式”的巷道布置方式，两帮移近量为68mm，顶底板移近量为27mm，围岩控制效果较好。

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