近距离煤层双重采动对上层煤轨道大巷扰动影响规律研究

杜运夯

(云南能源职业技术学院，云南省曲靖市，655001)

在近距离煤层开采中，上下煤层采动不仅会影响采场应力分布，还会使周围巷道的受力变形发生变化。为了更好地维护近距离煤层巷道，开展近距离煤层双重采动条件下大巷底板应力分布及大巷扰动特征研究具有重要意义。

近些年国内外专家学者对近距离煤层开采做了大量的研究工作，冯宇峰等对刀柱式采空区上方煤层回采工作面底板进行受力分析，确定出工作面安全长度，并运用UDEC数值模拟对刀柱式采空区上方工作面应力及底板塑性区进行了分析；马振乾等采用相似材料模拟、数值计算方法研究了近距离煤层重复开采过程中煤层底板应力的动态演化规律，并探讨了底板巷道围岩应力分布特征；刘洋等采用FLAC 3D数值模拟方法研究了近距离煤层不同开采条件下形成的采动应力分布特征，重点分析了上层煤工作面推进时的应力场以及对下层煤应力分布的影响；张向阳等运用数值模拟、相似模拟和工程实践相结合的研究方法,分析了近距离煤层开采过程中采场围岩应力分布规律、位移变化及变形破坏特征。

本文以山西省黄土坡煤矿1109工作面轨道大巷受近距离煤层双重采动影响的问题为研究基础，通过数值模拟、理论分析及现场实测相结合的研究方法对近距离煤层双重采动大巷底板所在标高应力分布进行研究，确定出工作面采动影响下大巷底板所在标高应力分布特征，为其他类似工作面开采参数和巷道支护参数的科学设计提供依据。

1 工程背景

1109工作面主采12-1煤层，煤层平均厚度3.8 m，煤层倾角3°。1109工作面标高-790～-825 m，工作面倾向长185 m，走向长1760 m。工作面下方10-2煤层1249工作面已回采完毕，停采线距西一12-1轨道大巷水平距离198 m，垂直距离62 m左右。1249工作面倾向长240 m，平均煤厚2.5 m，倾角2°，如图1所示。

2 数值模型建立及方案设计

2.1 数值模型的建立

采用FLAC 3D软件以1109工作面的采掘工程情况为背景，建立数值计算模型，工作面推进方向

为x方向，工作面倾斜方向为y方向，竖直方向为z方向，模型尺寸为480 m×300 m×200 m(x×y×z)。为了数值模拟更准确，在y方向上分别预留了30 m的模型边界，1109工作面、1249工作面和大巷的空间关系都是按照实际设定，如图2所示。

图1 1109工作面蹬空开采示意图

图2 数值计算模型

2.2 力学参数的选取

模型计算采用摩尔—库仑准则计算。根据实验室煤岩物理力学参数测试，模拟参数见表1。

表1 计算模型的岩体力学参数

2.3 模拟方案及监测方案设计

在模型初始平衡后，先开挖10-2煤层，并按实际留设煤柱，再分步开挖12-1煤层，研究不同保护煤柱尺寸下工作面采动对大巷的影响。工作面空间关系及测线位置如图3和表2所示，在模型中沿走向布置4条测线。通过提取测线上的应力数据并绘制成曲线分析大巷底板所在标高的应力分布规律。

图3 工作面空间关系和测线位置示意图

测线位置测线一1109工作面侧面煤柱内,距轨道巷57m测线二1109工作面侧面煤柱内,距轨道巷3m测线三1109工作面上部,距轨道巷46m测线四1109工作面中部,距轨道巷93m

首先开挖10-2煤层至停采线，通过监测测线二、三、四上的应力，研究停采线前方大巷底板所在标高的应力分布特征。

在10-2煤层开采结束后，对12-1煤层进行回采。为了便于描述工作面双重采动对大巷的影响，将12-1煤层分步进行开采，保留不同尺寸的大巷保护煤柱，观测工作面至大巷不同距离时4条测线上的应力分布情况。

3 单层采动大巷底板所在标高应力分布

1249工作面开采时大巷底板所在标高的应力分布如图4、图5所示。

图4 1249工作面开采大巷底板所在标高的垂直应力分布

图5 1249工作面开采大巷底板所在标高的水平应力分布

从图4和图5可以看出：

(1)至工作面水平距离30 m范围内，工作面侧向3 m处煤柱对应的垂直应力由峰值(44.2 MPa)逐渐降低，工作面上部和中部对应的垂直应力逐渐升高；在至工作面水平距离30 m左右时，工作面各个位置对应的垂直应力开始保持一致，应力值为36 MPa左右；在30 m范围之外，应力值逐渐降低，由于受到巷道开挖的影响，在至工作面水平距离156 m之外到巷道附近位置，垂直应力略小于这个深度的原岩应力。

(2)受工作面采动影响，在工作面前方30 m范围内，工作面侧向3 m处煤柱对应的水平应力由峰值(23.9 MPa)逐渐降低至接近此水平的原岩应力，受巷道开挖影响，在大巷底板的位置，水平应力集中现象明显，应力峰值达到28.4 MPa，远离大巷之后的位置，应力逐渐减小至略低于此水平的原岩应力。

(3)受工作面开采的影响，工作面前方的水平应力较小，随着至工作面距离的增大，工作面上部和中部对应的水平应力逐渐增大，受巷道开挖影响，在大巷底板的位置，水平应力集中现象明显。

4 双重采动大巷底板所在标高应力分布

4.1 垂直应力分布特征

在1249工作面已采前提下，1109工作面推进至距离大巷不同距离时大巷底板所在标高的垂直应力分布，如图6～图10所示。

综合分析图6～图10可以看出：

(1)在10-2煤层停采在离巷道水平距离198 m 前提下，12-1煤层推进到离大巷水平距离180 m 时，大巷开始受到轻微的采动影响，随着12-1 煤层继续推进，工作面离大巷越来越近，大巷受到的影响程度会逐渐增强。

图6 1109工作面距大巷300 m时大巷底板所在标高的垂直应力分布

图7 1109工作面距大巷240 m时大巷底板所在标高的垂直应力分布

图8 1109工作面距大巷180 m时大巷底板所在标高的垂直应力分布

图9 1109工作面距大巷120 m时大巷底板所在标高的垂直应力分布

图10 1109工作面距大巷60 m时大巷底板所在标高的垂直应力分布

(2)工作面不同位置的超前影响情况有一定的差别，当工作面距离大巷超过120 m时，在工作面前方60 m范围内，工作面侧面煤柱对应的支承应力相对大一些，在60 m范围之外，工作面各个位置对应的超前应力开始保持一致。

(3)在工作面推进到距离大巷120 m之内，工作面中部的超前应力水平相对较大，对相应段的大巷影响也会增大。

4.2 水平应力分布特征

1109工作面推进过程中距离大巷不同距离时大巷底板所在标高的水平应力分布，如图11～图15所示。

图11 1109工作面距大巷300 m时大巷底板所在标高的水平应力分布

图12 1109工作面距大巷240 m时大巷底板所在标高的水平应力分布

图13 1109工作面距大巷180 m时大巷底板所在标高的水平应力分布

图14 1109工作面距大巷120 m时大巷底板所在标高的水平应力分布

图15 1109工作面距大巷60 m时大巷底板所在标高的水平应力分布

从图11～图15可以看出，10-2煤层和12-1煤层开采会减小大巷附近围岩的水平应力，在工作面中部对应段的大巷水平应力最小，总体来说，对于底板不支护的大巷来说，虽然工作面开采减小了其附近围岩的水平应力，但底板的水平应力一直维持在较高的水平。

5 工程实践

在现场实际中，为了维护西一12-1采区轨道大巷，确定1109工作面合理停采线，在西一12-1轨道大巷左帮(靠近工作面一帮)布置两个深5 m的测点，测点编号1#、2#，两测点间距30 m，如图16所示。测点处安装应力计，监测1109工作面推进过程中西一12-1轨道大巷围岩的受力情况。

图16 测点应力计安装位置示意图

由测点应力计监测到的数据绘制1109工作面推进过程中测点应力值变化曲线，如图17所示。

图17 测点应力值变化曲线

从图17可以看出，1109工作面推进到距离西一12-1轨道大巷左帮测点187 m时，测点应力值开始发生明显变化，随着工作面继续推进，测点应力值逐渐增加。在现场实际中，当工作面推进至距离测点155 m时，1#测点应力值达到7.60 MPa，西一12-1轨道大巷发生明显变形，1109工作面在此处停采，停采线距大巷平均距离169 m。

6 结论

(1)10-2煤层停采后，随着距离停采线水平距离的增大，大巷底板所在标高垂直应力逐渐减小，水平应力逐渐增大，大巷底板水平应力集中现象明显。

(2)从支承应力分布情况来看，当12-1煤层推进到至大巷水平距离180 m时，大巷开始受到采动影响，采动所引起的超前支承应力形成的应力集中区与巷道垂直集中应力区叠加，增加了大巷围岩的垂直应力，增加了围岩的载荷。

(3)大巷开挖以后，底板出现水平应力集中现象，总体来说，两层煤开挖减小了底板的水平应力集中程度，但对于不支护的大巷底板来说，水平应力一直维持在较高的水平。

(4)实测数据显示，12-1煤层推进到距离西一12-1轨道大巷左帮测点187 m时，测点应力值开始发生明显变化，随着工作面继续推进，测点应力值逐渐增加。当工作面推进至距离测点155 m时，1#测点应力值达到7.60 MPa，西一12-1轨道大巷发生明显变形，1109工作面在此处停采，停采线距大巷平均距离169 m。

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