近距離煤層采動下底板巷道圍巖應力分布與變形破壞特征

謝漢峰

（臨汾宏大錦程煤業，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下部煤層，下部煤層的底板巷道受采動影響，圍巖體破壞嚴重、承載能力差，易出現巷道大變形現象，甚至誘發災害事故，影響礦井正常生產[1-5]。臨汾宏大錦程煤業同時開采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較快，導致位于4#煤層底板的9#煤層回采巷道礦壓顯現劇烈，巷道大范圍出現底鼓和嚴重片幫，局部出現冒頂事故。為此，本文以錦程煤業9#煤層19106 輔運巷上覆14106 回采工作面為工程背景，開展近距離采空區下底板巷道圍巖應力分布與變形破壞特征研究，為近距離采空區下底板巷道穩定控制提供指導。

1 工程概況

錦程煤業9#煤層19106 輔助運輸巷服務于19106 工作面，主要擔負工作面行人、運料、回風、安全出口等任務。19106 工作面開采范圍內煤層平均厚度12.3 m，老頂為石灰巖，厚度3.09～10.55 m，中厚層狀石灰巖，深灰色生物碎屑灰巖，堅硬，穩固性好；直接頂為灰質泥巖，厚度0.00～0.2 m，灰色、灰黑色，巖性較軟；底板為鋁土質泥巖，厚度2.37～5.8 m，巖性較硬，具滑感，吸水性、可塑性中等。19106輔助運輸巷位于14106回采工作面下方，垂直距離約38 m，巷道掘進斷面為矩形，掘進高度4.3 m，掘進寬度2.7 m。19106 輔助運輸巷和14106回采工作面平剖面示意圖如圖1。根據礦井采掘規劃，19106 輔助運輸巷將面臨14106 回采工作面采動影響，巷道易出現嚴重的變形破壞。為此，采用理論分析和現場實測的方法，開展近距離采空區下底板巷道圍巖應力分布與變形破壞特征研究，為錦程煤業類似條件巷道支護設計提供指導。

圖1 19106 輔助運輸巷和14106 工作面平剖面示意圖

2 上煤層采空區下底板破壞形態

上煤層開采后，工作面頂底巖層應力環境調整，在工作面前方煤壁形成超前支承應力，并將擾動底板巖層，在底板巖層內形成滑移線場。根據滑移線場理論，可將底板巖層受擾動形成的塑性區劃分為主動應力區Ⅰ、過渡應力區Ⅱ、被動應力區Ⅲ。主動應力區Ⅰ底板巖層主要受超前支承應力的垂直壓縮作用；過渡應力區Ⅱ底板巖層受超前支承應力的垂直壓縮作用和主動應力區Ⅰ圍巖變形對其的擾動；被動應力區Ⅲ底板巖層主要受上煤層采空區的卸壓擾動。14106 工作面底板塑性區劃分如圖2。根據滑移線場理論，可分析計算得到14106 工作面超前支承壓力作用下巷道底板破壞深度。圖中O 點位置為14106 工作面煤壁，主動應力區Ⅰ、被動應力區Ⅲ與底板巖層的夾角可根據公式計算得到。

圖2 上煤層采空區下底板塑性區劃分

2.1 理論計算

14106 工作面開采后底板最大破壞深度可由公式（1）計算得到：

式中：h1表示上煤層采空區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應力峰值點的距離；φ0表示上煤層采空區下底板巖層的內摩擦角。根據現場實測結果，La=15 m，φ0=23°，據此可計算得到，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）計算得到：

式中：將h1=18.8 m 代入公式（2），可計算得到Lb=8 m。

2.2 鉆孔窺視

為了更準確反映14106 工作面開采后采空區底板巖層的破壞情況，在19106 輔助運輸巷頂板布置鉆孔窺視觀測站。設計布置3 組測站，每組3 個測點，巷道中間向頂板垂直施工1 個頂板垂直鉆孔，兩幫沿與垂直方向呈45°夾角各施工1個頂幫傾斜鉆孔。鉆孔直徑設計42 mm，鉆孔長度設計30 m。19106輔助運輸巷鉆孔窺視觀測站布置示意圖如圖3。

圖3 鉆孔窺視觀測站布置示意圖

根據鉆孔窺視結果，總結分析14106 工作面開采后采空區底板巖層的破壞情況，具體如下：

1）工作面側頂幫傾斜鉆孔。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，且微小裂隙較發育；鉆孔揭露21.5～28.9 m 范圍孔壁圍巖較破碎，裂隙發育。

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，未發現明顯的破碎區域。鉆孔揭露24.5～29.0 m 范圍孔壁圍巖較破碎，裂隙發育，且存在明顯離層現象。

3）煤柱側頂幫傾斜鉆孔。鉆孔揭露0～23.5 m范圍孔壁圍巖較完整，未發現明顯的破碎區域。鉆孔揭露23.5～28.5 m范圍孔壁圍巖較破碎，裂隙發育。

根據上述分析可知，在鉆孔揭露23.5～29 m 范圍內孔壁圍巖較破碎，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的底板破壞深度約21.4 m（38 m-23.5 m×cos45°=21.4 m），與理論計算結果吻合性良好。同時，鉆孔窺視結果顯示，14106 工作面開采后采空區的底板巖層21.4 m 至9#煤層之間巖層完整性較好。

3 底板巷道圍巖應力分布與變形破壞特征

3.1 底板巷道圍巖應力分布特征

采用應力傳感器監測14106 工作面回采過程中19106 輔助運輸巷圍巖應力分布特征，測站布置在超前14106工作面120 m位置，布置7個應力傳感器，測點位置分別深入煤體2 m、3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m。監測結果如圖4。

圖4 測點應力與距工作面距離的關系曲線圖

如圖4，各測點應力隨工作面推進均經歷三個階段，且各測點應力曲線具有明顯的相似性。在超前工作面25～100 m 范圍內，各測點應力未出現明顯變化，應力值分布在4～6 MPa；從超前工作面25 m 開始，隨著工作面的推進，各測點應力出現顯著升高，最大應力值分布在7～12 MPa；超前工作面25 m 至滯后工作面40 m 范圍內，巷道處于采動影響范圍，各測點應力值較高；隨著工作面的不斷推進，在滯后工作面40 m 范圍外，各測點應力逐漸降低，且應力整體較穩定。綜上，14106 工作面回采對19106 輔助運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輔助運輸巷圍巖應力達到峰值（平均應力值9.71 MPa），平均應力集中系數1.91。

3.2 底板巷道圍巖變形破壞特征

采用十字測試法監測14106 工作面回采過程中19106 輔助運輸巷圍巖變形破壞特征，測站布置在超前14106 工作面120 m 位置，布置5 個觀測點。監測結果如圖5。

圖5 測站巷道變形與距工作面距離的關系曲線圖

如圖5 所示，19106 輔助運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 輔助運輸巷的主要變形破壞特征。19106 輔助運輸巷在超前工作面50 m 時，底板巷道變形量與變形速度明顯增加，測站超前工作面50 m 到滯后工作面40 m 范圍內，巷道受14106 工作面采動支承壓力劇烈，變形量較大，而后隨著14106 工作面的繼續推進，測站位置巷道圍巖變形逐漸穩定，與應力監測結果較吻合。

綜上，上煤層工作面回采形成的支承應力將對底板巷道產生擾動，其影響具有時間性和空間性。當底板巷道圍巖地質條件差、巷道難以控制時，可采取超前加強支護或提高工作面推進速度的方法，緩解上煤層工作面回采對底板巷道的擾動影響。

4 結論

以錦程煤業9#煤層19109 輔助運輸巷上覆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下底板破壞形態，理論計算和現場實測了14106 工作面采空區下底板破壞深度，其吻合性良好。上煤層14106 工作面回采形成的支承應力對底板19106 輔助運輸巷產生的擾動具有時間性和空間性，可采取超前加強支護或提高工作面推進速度的方法緩解。