“三软”煤层综采工作面回采应力变化规律及对策

（贵州大方煤业有限公司，贵州 毕节 551600）

“三软”地层煤矿中出现的巷道变形破坏有很大一部分是由采煤扰动引起的次生应力导致的。在某些情况下，次生应力产生的影响远远大于原岩应力，正确认识次生应力引起的应力集中或释放是控制围岩失稳的必要条件。为了有效控制围岩变形，需要进一步加大对开采次生应力的研究并采取措施。

1 基本概况

贵州大方煤业有限公司小屯煤矿为“三软”地层条件：顶板和底板均为泥质粉砂岩或粉质泥沙岩，煤层中含有0 m ～1.2 m的软分层。

1.1 工作面顶底板及煤层情况

煤层直接顶为泥质粉砂岩、基本顶为6 上煤、泥质粉砂岩、向上为泥岩、B1 灰岩。直接底为泥岩和粉砂岩。顶底板岩石遇水极易膨胀，造成顶板下沉、两帮变形、底板鼓起。矿井主要开采6 中煤，煤层平均厚度2.3 m。

1.2 巷道支护方式

顺槽巷道采用锚网索支护方式，支护锚杆采用全螺纹树脂锚杆；顶部锚索规格为Φ21.6mm×9000mm，顶部钢带采用4500mmT 型钢带，帮部钢筋梯直径为Φ12 mm。巷道超前支护采用单体液压支柱配合工字钢支护，一梁四柱，排距600 mm。

1.3 巷道变形影响情况

根据一采区 16 中 04、16 中 06、16 中 07、16 中 10 等已采工作面巷道围岩变形观测，顶板下沉量平均 400 mm ～800 mm，每帮位移量为330 mm ～470 mm，短期内平均底鼓量可达1 100 mm。

2 地应力对巷道的影响

地应力是巷道变形和破坏的直接因素，根据最大水平应力理论：作用在巷道周围的原岩应力和次生应力可能使岩石材料本身以及沿层面发生破坏，从而形成一定范围的破坏区（仍具有残余强度），破坏区的岩石对下位岩层形成膨胀载荷，造成顶板弯曲下沉。同时由于已出现破坏的岩层抵抗水平应力的能力明显降低，会导致应力进一步向围岩深部转移，在深部形成新的破坏区，这个过程会继续下去直至遇到强度足够高的岩层，或者被支护系统所阻止。

3 应力试验

3.1 地点

该次试验主要布置4 个测点：其中地应力测试点1 个，布置在16 中13 运顺底抽巷测点：方位300°，倾角30°，孔深12 m，孔径110 mm，安装于顶板泥质粉砂岩中。次生应力测试点3 个：分别布置在16 中09 轨顺（1#、2#）和主平硐（3#）：方位300°，倾角12°，孔深10 m，孔径110 mm，安装于顶板粉砂岩中，应力试验采用钻孔应力解除法[1]。

3.2 工作面超前水平应力变化特点

3.2.1 水平应力整体不间断增加

在距离工作面大约150 m 的位置开始出现明显应力，在距离工作面127 m 的位置应力集中影响显著增大，至距离工作面15 m 处达到应力集中影响最大值，未出现应力峰值。

3.2.2 最大水平应力波浪形增加

最大水平应力对工作面回采影响显著大于最小水平应力，在工作面停采后，即距离工作面15 m 时，应力最大值达到16 MPa，较初始应力值5.60 MPa 增加了10.4 MPa，应力集中系数为2.86。

3.2.3最大水平应力呈现周期性

在距离工作面150 m、127 m、95 m、64 m 和30 m 的位置分别出现区域应力峰值，表现出工作面回采超前来压周期性，推断水平应力来压步距在30 m 左右，来压强度逐渐增大。

3.2.4 水平应力集中程度不一致

水平应力随着工作面的不断推进不断加大，最大水平应力呈现垂直工作面走向不断增大，最小水平应力在平行工作面方向上呈现先增大，在靠近工作面时减小的趋势。

3.3 工作面超前垂直应力变化特点

工作面回采期间垂直应力监测变化曲线图如图1 所示。

3.3.1 垂直应力整体呈现不断增大趋势

在工作面回采期间距离工作面140 m位置时出现明显应力集中现象，在距离工作面127 m 的位置应力集中影响显著增大，至距离工作面15 m 处达到应力集中影响最大值，未出现应力峰值。

3.3.2 垂直应力在回采期间呈现波浪形

在工作面停采后，即距离工作面15 m 时，应力最大值达到17.68 MPa，较初始应力值6.69 MPa 增加了10.99 MPa，应力集中系数为2.64[2]。

3.3.3 垂直应力应力峰值同样具有周期

当距离工作面127 m、94 m、69 m、43 m 和24 m 位置分别出现区域应力峰值，表现出工作面回采超前来压周期性。

图1 工作面回采期间垂直应力监测变化曲线图

3.4 纵向应力变化特征

3.4.1 垂直方向应力呈现周期性震荡

在距离工作面150 m 时应力出现明显增加现象，至距离工作面15 m，应力值增加了9.6 MPa，其偏向呈现周期性震荡，为垂直应力变化特征。

3.4.2 水平方向应力变化较小不明显

在距离工作面150 m 时出现明显应力增大现象，到距离工作面15 m 时应力增加量达到最大值3.1 MPa，其倾角变化幅度不明显。

4 巷道支护影响因素

4.1 应力集中程度高

工作面超前应力显著影响区开始于距离工作面127 m 位置，随着工作面推进距离减小，影响范围和强度不断增大，至距离工作面15 m 时，水平应力达到最大值16 MPa，较初始应力值5.60 MPa 增加了10.4 MPa，应力集中系数为2.86；垂直应力也达到最大值17.68 MPa，较初始应力值6.69 MPa 增加了10.99 MPa，应力集中系数为2.64。

4.2 围岩强度和结构

围岩强度低、结构差：塑变性能（低围压、高垂压）、流变性能（随时间产生流变效应）、碎胀性能（体积状态发生变化，岩体变岩块，节理裂隙发育）。

4.3 采动应力扰动影响

工作面回采影响范围广、采动应力扰动强，矿压显现剧烈，顶底板和帮部四周来压。根据16 中09 工作面应力监测结果推断，主平硐水平应力影响范围在240 m 以内，垂直应力影响范围在225 m 以内，周期性来压步距在10 m 左右。

5 采取对策

5.1 延缓巷道变形程度

通过减少排距、增加单体支护数量等方式增加超前支护强度，通过堵水、疏水减少巷道顶底板受水浸泡的影响。

5.2 提高围岩承载能力

切断应力传递途径，可采用切顶卸压，应力转移至深部稳定煤岩体。改变围岩受力状态，施加的预应力增加围压，使得围岩由单向或二向受力状态转变为三向受力状态。

5.3 提高巷道支护强度

提高巷道承载动压扰动能力，采用主动支护方式，保证锚杆和锚固区岩体相互作用而形成统一的承载结构，锚索锚固到B1 灰岩，配合喷浆减少顶板风化破碎程度[3]。

5.4 提高围岩力学强度

在掘进过程中紧跟迎头支护，通过锚注对围岩增强改性，阻止围岩破碎范围的进一步扩展。

5.5 合理留设煤柱岩柱

根据应力测定结果和切眼留巷试验结果保留适当煤岩柱，可以取得良好效果。

5.6 合理确定巷道关系

底抽巷与顺槽的相互位置影响到回采过程中对底抽巷的破坏关系，根据试验结果两条巷道上下对齐优于内错（底抽巷在顺槽内侧），内错优于外错，应当合理选择。

6 结论

根据实际次生应力结果而进行支护方式改进、注浆加固等措施，巷道变形明显减少，下一步还需结合切顶留巷等方式进行巷道卸压，同时优化巷道支护参数且不断试验取得最佳效果，为安全生产保驾护航。