采空區下巷道圍巖應力場特征及其控制研究

賀淼鑫

（晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦二號井，山西 晉城 048006）

近距離煤層開采時煤層間巷道掘進與工作面開采相互影響和干擾較為嚴重。在實際生產中，上覆采空區內煤柱處產生的應力升高導致其下方的巷道圍巖垂直應力顯著增大，巷道穩定性難以控制。盡管采空區下方巷道圍巖應力較小，但上覆層的開采導致下方煤層巷道頂板松軟破碎，巷道難以支護。在生產中，下層煤中的巷道布置欠佳，或者支護強度低，會導致巷道圍巖變形收斂和塑性破壞區較大，造成巷道失穩，這是近距離煤層下行開采時制約生產安全的突出問題[1-2]。因此，近距離煤層開采時，下層煤礦壓分布規律及巷道穩定性控制的研究具有重要的理論及現實意義。

1 概況

1.1 生產和地質條件

寺河二號井主采煤層有3 層，從上至下依次為3 號、9 號和15 號煤層。其中3 號和9 號煤層部分盤區已回采，而15 號煤層還未開采，目前正在布置15 號煤層工作面，15 號煤布置的第一個工作面上部的3 號和9 號煤已開采完畢。因此，15 號煤層必然受到上部采動壓力和集中應力的干擾和影響，該煤層中巷道掘進中必然會產生大的變形，給圍巖控制帶來挑戰。

位于太原組一段頂部的15 號煤層，埋深為329～419 m 之間，上距9 號煤層30 m 左右。煤層平均厚度1.5 m 左右，平均傾角為5°。煤層直接頂為石灰巖，厚9.8 m，為穩定巖層，頂板類型為Ⅲ類，下部偶見0.1～0.3 m 左右泥巖；煤層的直接底為灰色鋁質泥巖，厚4.0 m。

1.2 地質力學測試分析

15 號煤地質力學參數測試結果表明，最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力分別為12.5 MPa、6.55 MPa 和7.72 MPa，最大水平主應力方向和主導方向分別為N62.90W 及NEE；15 號煤層頂板巖層強度平均值為112.10 MPa，局部含有平均強度48.90 MPa 的砂質泥巖，橫向裂隙發育。測試數據表明，15 號煤層頂板巖層除局部存在較大裂隙的特征外，整體較完整；15 號煤兩幫煤體裂隙發育，較破碎，該處煤體強度平均值為12.75 MPa。

2 采空區下部巷道圍巖應力場分布特性研究

2.1 模型建立及模擬方案設計

基于寺河煤礦二號井三盤區15 號地質條件，采用數值模擬方法進行分析，研究該礦9 號煤遺留煤柱下15 號煤盤區大巷合理布置位置。

此處采用Flac 數值模擬，模型寬和高分別為185 m 和70 m。模型上部為應力邊界，底部為固定邊界，用均勻分布的應力載荷取代上覆巖層重力，模型四周施加水平位移約束。對地應力測試結果和模型厚度加以綜合考慮后，確定施加的初始垂直應力值為7.0 MPa，水平應力值為9.0 MPa，計算模型選用摩爾-庫倫模型。從上到下各巖層巖性如圖1、圖2。

圖2 模擬方案（m）

2.2 模擬結果分析

工作面（9 號煤7 盤區）回采后垂直應力分布如圖3。

圖3 9 號煤7 盤區工作面回采后垂直應力分布云圖

從圖3 中可以看出，7 盤區工作面回采后，盤區大巷煤柱兩側支撐壓力峰值處會形成“應力核區”，應力峰值和應力集中系數分別為17.4 MPa 和2.49。應力集中區在煤柱內呈現向底板傳遞的傾向，應力梯度區會在一定范圍內形成。

3 盤區巷道圍巖失穩破壞機理及控制方案

3.1 盤區巷道圍巖失穩破壞機理

在巷道開挖后，煤柱下方的巷道圍巖支承壓力與上層煤柱所傳遞支承壓力互相疊加，致使巷道圍巖中垂直應力劇增。實踐表明，位于該位置處的巷道圍巖中垂直應力增高范圍主要集中在巷道兩幫及兩肩處[3-5]，需加強兩幫和巷道肩部的支護強度，避免巷道出現局部破壞，進而誘發整體失穩破壞。

由于上層煤采空區的卸壓作用，采空區下方巷道兩幫與兩肩處所受支承壓力相對較小，同時巷道開挖之后會在其頂板形成一定程度的水平應力升高趨勢，由此巷道變形表現為兩幫變形量微小，頂板下沉量顯著的特點。上方煤層回采后，導致下層煤巷道圍巖松軟破碎，圍巖裂隙顯著增加，以頂板接近上覆煤層處最為顯著。因此，增加巷道頂板支護強度，對于確保巷道圍巖穩定性，降低巷道頂板圍巖極限平衡區寬度極為重要。

3.2 盤區巷道支護設計方案

153101 盤區大巷設計斷面為矩形，寬和高分別為5.0 m 和2.8 m，斷面積14 m2。盤區巷道頂板采用型號MSGLW400、直徑為20 mm 的錨桿，每排布置4 根長度為2.0 m 的錨桿，間、排距均為1400 mm，采用兩支樹脂錨固劑錨固，型號分別為MSK2335 和MSZ2360，配套使用高強錨桿螺母、尼龍墊圈、調心球墊及拱型高強度托板；錨桿間采用圓鋼焊接的鋼筋梯梁連鎖，寬度為100 mm，長度為4.3 m，鋼筋梯梁直徑為12 mm。

頂板錨索為1×7 鋼絞線，直徑為15.24 mm，長度為5.3 m，抗拉強度為1860 MPa，延伸率3.5%。錨索排距4200 mm，每排2 根，采用MSK2335 型（一支）和MSZ2360 型兩支樹脂錨固劑錨固，預緊力大于150 kN，配套高強度托盤、鎖具及調心球墊。

巷道兩幫采用直徑為20 mm、長2.0 m 的MSGLW400 型錨桿，每排設置3 根錨桿，間距1100 mm，排距1400 mm，一支MSZ2360 錨固劑錨固，錨固力不低于85 kN，扭矩不低于200 N·m；錨桿間采用鋼筋梯梁連鎖，梯梁由直徑為12 mm 圓鋼焊接，規格為2300 mm×1000 mm；護幫經緯網規格為1.2 m×4.6 m，用雙股16#綁絲孔孔相連，其網孔規格為50 mm×50 mm。

巷幫底角錨索規格和結構同頂板錨索。錨索排距4200 mm，間距1800 mm，每排2 根，與水平面夾角20°。盤區大巷153101 支護設計斷面圖如圖4。

圖4 盤區大巷153101 支護設計斷面圖（mm）

4 礦壓監測分析

4.1 錨桿受力監測

盤區大巷153101 巷道掘進及工作面開采時，現場監測的錨桿受力隨距迎頭距離的變化規律數據曲線如圖5。

圖5 153101 巷錨桿受力變化曲線

由圖5 可以看出，巷道測站隨遠離迎頭錨桿受力不斷增大。由頂板錨桿受力變化曲線可知，頂板錨桿受力變化集中在距迎頭87～191 m，增幅為30～35 kN，之后錨桿受力基本恒定不變。從圖中還可看出，左幫錨桿受力變化大多大于頂板錨桿受力變化，巷道掘進完成后，初期一段時間錨桿受力仍有明顯變化，增幅為40～50 kN。綜合分析可知，盤區153101 巷在掘進期間錨桿受力變化較小，表明巷道受到的擾動較小。

4.2 錨索受力監測

在153101 巷掘進及工作面開采期間，錨索受力監測結果如圖6。

圖6 153101 巷錨索桿受力變化曲線

由圖6 可以看出，153101 巷測站隨遠離迎頭錨索受力不斷增大，頂板錨索受力變化集中在距迎頭30 m 范圍，增幅為30～40 kN，之后錨索受力基本無變化。巷幫底角錨索受力變化大于頂板錨索受力變化，巷道掘進完成后初期一段時間錨索受力仍有明顯變化，增幅為40～50 kN。

4.3 巷道位移監測

在工作面回采期間對153101 巷道表面位移變化進行監測，得到巷道表面位移變化曲線，如圖7。

圖7 153101 巷道100 m 處表面位移變化曲線

從圖7 可以看出，巷道服務期間最大頂底板移近量為255 mm，占初始巷道高度的比例為5.1%，而其中頂板輕微下沉量僅為53 mm。據此可知，頂底板移近量多為底板鼓起所致，最大為202 mm。從圖7 中可以發現，巷道兩幫變形值最大為255 mm，為巷道初始寬度的5.1%。

5 結論

1）對巷道布置區域的地應力大小及方向進行測試，確定了應力場分布規律；并對巷道圍巖進行了強度測試，為盤區巷道支護設計提供了基礎參數。

2）采用數值模擬方法分析了采空區下部巷道圍巖應力分布規律，分析了盤區巷道圍巖上采空區下部和煤柱下部的圍巖破壞特征，提出了采空區下盤區大巷支護方案。

3）礦壓監測數據表明，盤區巷道回采期間頂板下沉量最大為53 mm，底鼓量最大為202 mm，兩幫移近量最大為255 mm。錨桿錨索初始施加高預緊力后，錨桿受力有一定的變化，但是整體變化比較小，說明錨桿支護有效地控制了巷道圍巖的變形，圍巖保持整體完整。