近距離煤層采掘關系對下位巷道圍巖變形規律影響研究

文章編號：1671?251X（2024）08?0061?08 DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2024060079

關鍵詞：近距離煤層；巷道圍巖；下位煤層巷道；上煤層工作面；底板破壞；輔運巷道；主運巷道；回采工作面

中圖分類號：TD322 文獻標志碼：A

0引言

近距離煤層開采時，上煤層工作面開采后引起的采場圍巖結構變化與運動規律對下位煤層巷道有著直接性的影響，會使下位煤層的應力賦存環境更加復雜[1-2]，尤其是在煤層間距較小、上煤層工作面采高較大時，對下位煤層影響更加明顯[3-4]。當近距離煤層上煤層工作面與下位煤層巷道采掘關系發生變化時，巷道圍巖變形失穩機理會更加復雜，不利于巷道的支護與優化，因此研究其采掘關系變化后巷道應力演化規律及失穩特征顯得尤為重要。

許多學者針對近距離煤層采場應力演化規律及巷道失穩特征展開了研究。文獻[5-8]通過FLAC3D數值模擬實驗對近距離煤層開采所引起的覆巖運動規律進行了研究，得出了近距離煤層多煤層間相互開采的影響規律，揭示了近距離煤層開采過程中的頂板應力?位移演化規律，提出了采場頂板注漿加固的控制措施。文獻[9-10]通過離散元數值模擬實驗研究了近距離煤層上煤層工作面煤柱作用下的下位煤層巷道破壞過程，得出導致下位煤層巷道破壞應力加劇的現象與上煤層工作面煤柱承載能力有關，應避免在煤柱附近設置巷道。文獻[11-13]采用理論計算及數值模擬對近距離煤層下位煤層巷道不同位置的最優布置方式展開了研究，發現下位煤層巷道內錯式與外錯式布置巷道圍巖受力均呈現出明顯的非對稱性，得出不同層間距對應的應力降低區范圍與邊界煤柱的關系，提出了內外錯相結合的回采巷道布置方式。文獻[14-16]采用物理相似模擬實驗對近距離煤層采場圍巖在煤層回采過程的裂隙發育情況進行了研究，得出了下位煤層巷道采場上覆巖層裂隙的二次擴展特征、應力場分布及不同分區采動裂隙動態演化規律。文獻[17-20]通過數值模擬軟件對采空區遺留煤柱、堅硬頂板等不同工況下的巷道圍巖變形情況進行研究，得出基本頂斷裂位置及斷裂后形成的結構是巷道失穩的主要原因，并針對不同煤柱寬度提出了采用水力壓裂弱化上煤層工作面開采對巷道的影響。

目前針對近距離煤層不同采掘時空關系的研究較少，特別是上煤層工作面與下位煤層巷道推進方向不同時巷道受載動態演化規律及失穩特征。因此，本文以陜北府谷縣能東煤礦近距離煤層為研究對象，采用理論分析、數值模擬及現場實測的研究方法，對上煤層工作面回采后下位煤層巷道的穩定性進行研究，確定上煤層工作面底板裂隙發育范圍，明確巷道應力與位移的動態分布規律，并對現場巷道位移量進行實測驗證，為相似工況下位煤層巷道的穩定性控制提供參考。

3數值模擬研究

3.1模型建立及實驗方案

根據能東煤礦現場地層巖石力學參數， 采用FLAC3D 數值模擬軟件建立模型，分析32206 主輔運巷道與31205 工作面同時掘進與開采過程中應力與位移時空變化規律。煤巖力學參數見表2。模型尺寸（長×寬×高） 為300m×280m×200m， 采用Mohr-Coulomb本構模型，2條巷道間煤柱寬度為25m，模型四周各留設50 m 寬保護煤柱，模型底部與四周采用位移約束限制移動，整個模型由1574000 個單元組成，包括1659632個節點，為保證模型計算精度可以滿足現場需求，模型網格設計遵循網格長寬高之間兩兩參數比值不大于3的設計原則，數值計算模型如圖4所示。

31205工作面沿工作面推進方向推進的同時，32206 主輔運巷道沿巷道掘進方向掘進，每次推（掘）進10m，沿著32206輔運巷道布置測點，對3^?2煤層垂直應力進行監測。工作面推進距離與巷道掘進距離為200 m，采用數值模擬實驗對上煤層工作面與下位煤層巷道巷道相向采掘情況進行對照組實驗，獲得煤壁超前垂直應力影響范圍為30 m，以此為依據，按采掘空間位置關系將31205 工作面與32206 巷道分為相向（0～70m）、相交（70～130 m）、背向（130～200 m）3個狀態，研究當巷道與工作面的空間位置關系發生變化時下位煤層巷道圍巖變形情況。

3.2采場圍巖變形規律

3.2.1工作面回采對下位煤層巷道圍巖應力的影響

1）采場圍巖應力變化。不同空間位置采場圍巖應力分布規律如圖5 所示。可看出當32206 巷道與31205 工作面相向推進至50m時，采空區底板應力釋放區和覆巖應力釋放拱形結構區域沿采空區中部呈對稱狀，工作面前后應力集中區出現最大垂直應力，為12.3 MPa，超前垂直應力影響范圍為24.9 m，巷道最大應力出現在兩端， 為6.3 MPa。此刻31205 工作面回采對32206巷道無影響。隨著工作面與巷道的推（掘）進，在32206巷道與31205 工作面相交推進至100m 時，工作面兩端應力集中區中最大應力為15.8 MPa，頂底板應力釋放區進一步擴大，延伸至32206巷道，巷道的應力降低，最大應力為4.76 MPa。在32206巷道與31205 工作面背向推進至150，200m時， 工作面兩端的最大應力分別為17.0，17.8MPa，應力集中系數分別為3.78，3.96。此時巷道掘進位置最大應力為0.95，4.35MPa。32206巷道掘進位置在推進150m 時完全位于31205工作面底板應力釋放區內，應力大幅下降，直到推進200m時，32206巷道掘進位置位于31205工作面保護煤柱下方，巷道圍巖應力逐漸增大，趨近于原巖應力。

2） 3^?2煤層垂直應力變化。對3?2 煤層沿著32206巷道掘進方向布置測線，在采動過程中監測數據，結果如圖6 所示。可看出在31205 工作面與32206巷道相向推進時，隨著掘進距離的增大，巷道已掘進的位置應力變為0，巷道兩側煤壁最大垂直應力從5.72 MPa增大至6.08 MPa，最大垂直應力位于巷道幫部3～4 m 處，應力集中系數為1.43。32206 巷道右側未掘進區域由于受到31205 工作面底板應力釋放區的影響，隨著工作面的推進，其垂直應力不斷降低，從原巖應力4.35MPa 降低至1.28 MPa，降幅達70.0%。在31205 工作面與32206 巷道相交推進時，在掘進距離為90m時，32206巷道煤壁最大垂直應力達到最大值6.50 MPa， 應力集中系數為1.49，32206巷道右側未掘進區域隨著31205 工作面的不斷推進，應力釋放程度不斷增大，直至推進120 m時，右側的最小煤壁垂直應力為1.09MPa，較原巖應力降低了74.9%。而巷道煤壁垂直應力在推進100～110m 時急劇下降，從5.13MPa 降低至2.40 MPa，降低幅度為53.2%。此時32206 巷道位于31205工作面的正下方。在31205 工作面與32206巷道背向推進時，在推進至150 m 時，3^?2煤層煤壁垂直應力達到最低，為0.70 MPa，為原巖應力的16%。之后隨著工作面的推進，巷道掘進位置逐漸靠近采場邊界保護煤柱， 煤壁垂直應力不斷增大， 直到掘進距離為200m時，煤壁支撐壓力增大至6.21MPa，趨近至最開始掘進階段應力分布狀態。

3.2.2下位煤層巷道圍巖位移分布規律

1）采場圍巖位移變化。不同空間位置采場圍巖位移分布規律如圖7 所示。可看出在31205工作面與32206 巷道相向推進至50 m 時， 31205工作面與32206巷道無相互影響作用，巷道最大位移出現在頂板，為0.006 m。在31205 工作面與32206巷道相交推進時，31205 工作面的推進已經影響至32206 巷道掘進斷面，巷道圍巖整體有向上運動的趨勢，巷道最大位移出現在底板處，由于巷道掘進方向與工作面推進方向不同，導致巷道頂板與底板運動趨勢不同，頂板位移小于底板。在31205工作面與32206 巷道背向推進至150 m時，巷道掘進位置位于上煤層工作面采場中部底板下方，巷道圍巖整體位移量最大可達0.036 m，巷道掘進位置在此刻受到上采空區的影響程度最大；在背向推進至200 m時，巷道掘進位置接近邊界保護煤柱，巷道圍巖整體下降，推測分析是由于32206 巷道與31205 工作面采掘后底板應力釋放區的疊加。

2）下位煤層巷道圍巖位移量。在32206巷道頂底板及兩幫表面中部布置測點來監測32206巷道掘進過程中的圍巖位移分布規律，如圖8所示。

從圖8可看出巷道掘進距離為0～70m時，巷道整體較為穩定，頂底板位移量大于兩幫位移量；在巷道掘進距離為80～90m時，巷道頂板與兩幫位移量增大，底板位移量小幅下降，這是由于31205 工作面的煤壁超前垂直應力傳遞至3^?2煤層，使巷道圍巖應力有小幅上升，導致頂板與兩幫的位移量增大，而底板受下位煤層巷道掘進與上煤層工作面回采后的作用力方向相反，導致位移量有小幅下降，位移量有較小幅度下降。巷道掘進距離為100 m時，31205工作面位于32206巷道正上方，相當于一個大尺寸的卸壓孔，使32206巷道圍巖應力降低，頂板與兩幫位移量降低，而底板位移量增大。在掘進距離為110～150 m 時，巷道圍巖位移量整體增大，其中頂板位移量從0.014m增大至0.036m，增長了1.57倍，這是由于巷道完全進入到上煤層工作面的底板應力釋放區內，且巷道整體存在向上移動的趨勢。巷道掘進至160 ～200m時，隨著巷道掘進距離的增大，巷道邊界與保護煤柱距離減小，巷道圍巖位移又開始減小，直到恢復至與巷道初始掘進狀態下的位移量接近。

在31205工作面與32206巷道相向推進時，巷道圍巖較為穩定，位移量整體較小；在相交推進時，在推進100m后巷道圍巖位移量增速最大，且頂底板與兩幫位移量接近；在背向推進時，巷道位移量先增大后減小， 在推進距離為150m時達到最大值0.036m，之后隨著巷道接近邊界煤柱，位移量逐漸減小且接近最初的巷道變形情況。

4現場實測

4.1測點布置方案

在32206輔運巷道一斷面布置測點來監測巷道不同掘進關系下的圍巖變形情況，巷道測點布置如圖9 所示。垂直測線A?B應與巷道中垂線重合，水平測線C?D應與巷道腰線重合，測釘布置于巷道頂底板及兩幫中部，且測釘深入400mm 才為安裝完成。

4.2 巷道圍巖變形特征

上煤層工作面與下位煤層巷道推進過程中32206輔運巷道圍巖變形情況如圖10所示，其中距巷道斷面0 m 時為 31205 工作面推進位置位于32206巷道掘進推進位置正上方處。可看出32206輔運巷道頂底板位移量大于兩幫，這是由于埋深淺水平壓力較小，回采巷道不同位置測點頂底板的位移量變化較小，巷道兩幫位移量發生一定的波動。在上煤層工作面距下位煤層巷道斷面?30～0m時，巷道斷面的位移量變化較大，與數值模擬結果相符。在上煤層工作面距下位煤層巷道斷面40m后，斷面位移量趨于穩定，最大位移量為3.41cm。需要說明的是，此處為巷道某一斷面的動態監測結果，由于現場巷道斷面距煤柱邊界較遠，所以位移量呈現趨于穩定的狀態。總體來說巷道圍巖總體位移量較小，整體較為穩定。

5結論

1）通過理論分析得出，31205 工作面開采后所產生的底板破壞深度為22.5 m，小于3^?1煤層與3^?2 煤層之間的間距25m，未發育至3^?2煤層。

2）采用FLAC3D 數值模擬得出： 31205工作面與32206巷道采掘過程中，不同空間采掘關系對圍巖應力環境有不同程度的影響。在采掘關系為相交、背向推進時，巷道圍巖應力先增后減再增，分別在90，150m處達到最大值和最小值，巷道圍巖位移量在推進100～150m時增幅較大，最大位移量為0.036m。

3）現場實測結果表明：在上煤層工作面過下位煤層巷道時，巷道位移量顯著增長，頂板最大位移量為3.41 cm，與數值模擬結果一致。相交推進過程中若巷道位移量較大，可適當進行補強支護，架設單體液壓支柱，以確保現場生產施工的安全。