近距离煤层采动下底板巷道围岩应力分布与变形破坏特征

谢汉峰

（临汾宏大锦程煤业，山西 临汾 041000）

近距离煤层开采过程中，上部煤层开采必然扰动下部煤层，下部煤层的底板巷道受采动影响，围岩体破坏严重、承载能力差，易出现巷道大变形现象，甚至诱发灾害事故，影响矿井正常生产[1-5]。临汾宏大锦程煤业同时开采4#和9#煤层，其中4#煤层均厚8.72 m，9#煤层均厚12.3 m，煤层间距35～40 m。由于4#煤层工作面开采速度相对较快，导致位于4#煤层底板的9#煤层回采巷道矿压显现剧烈，巷道大范围出现底鼓和严重片帮，局部出现冒顶事故。为此，本文以锦程煤业9#煤层19106 辅运巷上覆14106 回采工作面为工程背景，开展近距离采空区下底板巷道围岩应力分布与变形破坏特征研究，为近距离采空区下底板巷道稳定控制提供指导。

1 工程概况

锦程煤业9#煤层19106 辅助运输巷服务于19106 工作面，主要担负工作面行人、运料、回风、安全出口等任务。19106 工作面开采范围内煤层平均厚度12.3 m，老顶为石灰岩，厚度3.09～10.55 m，中厚层状石灰岩，深灰色生物碎屑灰岩，坚硬，稳固性好；直接顶为灰质泥岩，厚度0.00～0.2 m，灰色、灰黑色，岩性较软；底板为铝土质泥岩，厚度2.37～5.8 m，岩性较硬，具滑感，吸水性、可塑性中等。19106辅助运输巷位于14106回采工作面下方，垂直距离约38 m，巷道掘进断面为矩形，掘进高度4.3 m，掘进宽度2.7 m。19106 辅助运输巷和14106回采工作面平剖面示意图如图1。根据矿井采掘规划，19106 辅助运输巷将面临14106 回采工作面采动影响，巷道易出现严重的变形破坏。为此，采用理论分析和现场实测的方法，开展近距离采空区下底板巷道围岩应力分布与变形破坏特征研究，为锦程煤业类似条件巷道支护设计提供指导。

图1 19106 辅助运输巷和14106 工作面平剖面示意图

2 上煤层采空区下底板破坏形态

上煤层开采后，工作面顶底岩层应力环境调整，在工作面前方煤壁形成超前支承应力，并将扰动底板岩层，在底板岩层内形成滑移线场。根据滑移线场理论，可将底板岩层受扰动形成的塑性区划分为主动应力区Ⅰ、过渡应力区Ⅱ、被动应力区Ⅲ。主动应力区Ⅰ底板岩层主要受超前支承应力的垂直压缩作用；过渡应力区Ⅱ底板岩层受超前支承应力的垂直压缩作用和主动应力区Ⅰ围岩变形对其的扰动；被动应力区Ⅲ底板岩层主要受上煤层采空区的卸压扰动。14106 工作面底板塑性区划分如图2。根据滑移线场理论，可分析计算得到14106 工作面超前支承压力作用下巷道底板破坏深度。图中O 点位置为14106 工作面煤壁，主动应力区Ⅰ、被动应力区Ⅲ与底板岩层的夹角可根据公式计算得到。

图2 上煤层采空区下底板塑性区划分

2.1 理论计算

14106 工作面开采后底板最大破坏深度可由公式（1）计算得到：

式中：h1表示上煤层采空区下底板岩层破坏深度；La表示工作面前方煤壁至超前范围内应力峰值点的距离；φ0表示上煤层采空区下底板岩层的内摩擦角。根据现场实测结果，La=15 m，φ0=23°，据此可计算得到，h1=18.8 m。

上煤层开采后底板最大破坏深度位置距工作面煤壁的水平距离可Lb由公式（2）计算得到：

式中：将h1=18.8 m 代入公式（2），可计算得到Lb=8 m。

2.2 钻孔窥视

为了更准确反映14106 工作面开采后采空区底板岩层的破坏情况，在19106 辅助运输巷顶板布置钻孔窥视观测站。设计布置3 组测站，每组3 个测点，巷道中间向顶板垂直施工1 个顶板垂直钻孔，两帮沿与垂直方向呈45°夹角各施工1个顶帮倾斜钻孔。钻孔直径设计42 mm，钻孔长度设计30 m。19106辅助运输巷钻孔窥视观测站布置示意图如图3。

图3 钻孔窥视观测站布置示意图

根据钻孔窥视结果，总结分析14106 工作面开采后采空区底板岩层的破坏情况，具体如下：

1）工作面侧顶帮倾斜钻孔。钻孔揭露0～21.5 m 范围孔壁围岩较完整，存在少量横向裂隙，且微小裂隙较发育；钻孔揭露21.5～28.9 m 范围孔壁围岩较破碎，裂隙发育。

2）巷道中部顶板垂直钻孔。钻孔揭露0～24.5 m 范围孔壁围岩较完整，未发现明显的破碎区域。钻孔揭露24.5～29.0 m 范围孔壁围岩较破碎，裂隙发育，且存在明显离层现象。

3）煤柱侧顶帮倾斜钻孔。钻孔揭露0～23.5 m范围孔壁围岩较完整，未发现明显的破碎区域。钻孔揭露23.5～28.5 m范围孔壁围岩较破碎，裂隙发育。

根据上述分析可知，在钻孔揭露23.5～29 m 范围内孔壁围岩较破碎，由于顶帮钻孔与垂直方向呈45°夹角，14106 工作面开采后采空区的底板破坏深度约21.4 m（38 m-23.5 m×cos45°=21.4 m），与理论计算结果吻合性良好。同时，钻孔窥视结果显示，14106 工作面开采后采空区的底板岩层21.4 m 至9#煤层之间岩层完整性较好。

3 底板巷道围岩应力分布与变形破坏特征

3.1 底板巷道围岩应力分布特征

采用应力传感器监测14106 工作面回采过程中19106 辅助运输巷围岩应力分布特征，测站布置在超前14106工作面120 m位置，布置7个应力传感器，测点位置分别深入煤体2 m、3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m。监测结果如图4。

图4 测点应力与距工作面距离的关系曲线图

如图4，各测点应力随工作面推进均经历三个阶段，且各测点应力曲线具有明显的相似性。在超前工作面25～100 m 范围内，各测点应力未出现明显变化，应力值分布在4～6 MPa；从超前工作面25 m 开始，随着工作面的推进，各测点应力出现显著升高，最大应力值分布在7～12 MPa；超前工作面25 m 至滞后工作面40 m 范围内，巷道处于采动影响范围，各测点应力值较高；随着工作面的不断推进，在滞后工作面40 m 范围外，各测点应力逐渐降低，且应力整体较稳定。综上，14106 工作面回采对19106 辅助运输巷的影响主要在超前工作面25 m 至滞后工作面40 m，影响范围约65 m。在超前工作面15 m 位置，19106辅助运输巷围岩应力达到峰值（平均应力值9.71 MPa），平均应力集中系数1.91。

3.2 底板巷道围岩变形破坏特征

采用十字测试法监测14106 工作面回采过程中19106 辅助运输巷围岩变形破坏特征，测站布置在超前14106 工作面120 m 位置，布置5 个观测点。监测结果如图5。

图5 测站巷道变形与距工作面距离的关系曲线图

如图5 所示，19106 辅助运输巷顶板移近量最大约156 mm，底鼓量最大约469 mm，表明底鼓是19106 辅助运输巷的主要变形破坏特征。19106 辅助运输巷在超前工作面50 m 时，底板巷道变形量与变形速度明显增加，测站超前工作面50 m 到滞后工作面40 m 范围内，巷道受14106 工作面采动支承压力剧烈，变形量较大，而后随着14106 工作面的继续推进，测站位置巷道围岩变形逐渐稳定，与应力监测结果较吻合。

综上，上煤层工作面回采形成的支承应力将对底板巷道产生扰动，其影响具有时间性和空间性。当底板巷道围岩地质条件差、巷道难以控制时，可采取超前加强支护或提高工作面推进速度的方法，缓解上煤层工作面回采对底板巷道的扰动影响。

4 结论

以锦程煤业9#煤层19109 辅助运输巷上覆14106 回采工作面为工程背景，分析了上煤层工作面回采后采空区下底板破坏形态，理论计算和现场实测了14106 工作面采空区下底板破坏深度，其吻合性良好。上煤层14106 工作面回采形成的支承应力对底板19106 辅助运输巷产生的扰动具有时间性和空间性，可采取超前加强支护或提高工作面推进速度的方法缓解。