近距離煤層雙重采動對上層煤軌道大巷擾動影響規律研究

杜運夯

(云南能源職業技術學院，云南省曲靖市，655001)

在近距離煤層開采中，上下煤層采動不僅會影響采場應力分布，還會使周圍巷道的受力變形發生變化。為了更好地維護近距離煤層巷道，開展近距離煤層雙重采動條件下大巷底板應力分布及大巷擾動特征研究具有重要意義。

近些年國內外專家學者對近距離煤層開采做了大量的研究工作，馮宇峰等對刀柱式采空區上方煤層回采工作面底板進行受力分析，確定出工作面安全長度，并運用UDEC數值模擬對刀柱式采空區上方工作面應力及底板塑性區進行了分析；馬振乾等采用相似材料模擬、數值計算方法研究了近距離煤層重復開采過程中煤層底板應力的動態演化規律，并探討了底板巷道圍巖應力分布特征；劉洋等采用FLAC 3D數值模擬方法研究了近距離煤層不同開采條件下形成的采動應力分布特征，重點分析了上層煤工作面推進時的應力場以及對下層煤應力分布的影響；張向陽等運用數值模擬、相似模擬和工程實踐相結合的研究方法,分析了近距離煤層開采過程中采場圍巖應力分布規律、位移變化及變形破壞特征。

本文以山西省黃土坡煤礦1109工作面軌道大巷受近距離煤層雙重采動影響的問題為研究基礎，通過數值模擬、理論分析及現場實測相結合的研究方法對近距離煤層雙重采動大巷底板所在標高應力分布進行研究，確定出工作面采動影響下大巷底板所在標高應力分布特征，為其他類似工作面開采參數和巷道支護參數的科學設計提供依據。

1 工程背景

1109工作面主采12-1煤層，煤層平均厚度3.8 m，煤層傾角3°。1109工作面標高-790～-825 m，工作面傾向長185 m，走向長1760 m。工作面下方10-2煤層1249工作面已回采完畢，停采線距西一12-1軌道大巷水平距離198 m，垂直距離62 m左右。1249工作面傾向長240 m，平均煤厚2.5 m，傾角2°，如圖1所示。

2 數值模型建立及方案設計

2.1 數值模型的建立

采用FLAC 3D軟件以1109工作面的采掘工程情況為背景，建立數值計算模型，工作面推進方向

為x方向，工作面傾斜方向為y方向，豎直方向為z方向，模型尺寸為480 m×300 m×200 m(x×y×z)。為了數值模擬更準確，在y方向上分別預留了30 m的模型邊界，1109工作面、1249工作面和大巷的空間關系都是按照實際設定，如圖2所示。

圖1 1109工作面蹬空開采示意圖

圖2 數值計算模型

2.2 力學參數的選取

模型計算采用摩爾—庫侖準則計算。根據實驗室煤巖物理力學參數測試，模擬參數見表1。

表1 計算模型的巖體力學參數

2.3 模擬方案及監測方案設計

在模型初始平衡后，先開挖10-2煤層，并按實際留設煤柱，再分步開挖12-1煤層，研究不同保護煤柱尺寸下工作面采動對大巷的影響。工作面空間關系及測線位置如圖3和表2所示，在模型中沿走向布置4條測線。通過提取測線上的應力數據并繪制成曲線分析大巷底板所在標高的應力分布規律。

圖3 工作面空間關系和測線位置示意圖

測線位置測線一1109工作面側面煤柱內,距軌道巷57m測線二1109工作面側面煤柱內,距軌道巷3m測線三1109工作面上部,距軌道巷46m測線四1109工作面中部,距軌道巷93m

首先開挖10-2煤層至停采線，通過監測測線二、三、四上的應力，研究停采線前方大巷底板所在標高的應力分布特征。

在10-2煤層開采結束后，對12-1煤層進行回采。為了便于描述工作面雙重采動對大巷的影響，將12-1煤層分步進行開采，保留不同尺寸的大巷保護煤柱，觀測工作面至大巷不同距離時4條測線上的應力分布情況。

3 單層采動大巷底板所在標高應力分布

1249工作面開采時大巷底板所在標高的應力分布如圖4、圖5所示。

圖4 1249工作面開采大巷底板所在標高的垂直應力分布

圖5 1249工作面開采大巷底板所在標高的水平應力分布

從圖4和圖5可以看出：

(1)至工作面水平距離30 m范圍內，工作面側向3 m處煤柱對應的垂直應力由峰值(44.2 MPa)逐漸降低，工作面上部和中部對應的垂直應力逐漸升高；在至工作面水平距離30 m左右時，工作面各個位置對應的垂直應力開始保持一致，應力值為36 MPa左右；在30 m范圍之外，應力值逐漸降低，由于受到巷道開挖的影響，在至工作面水平距離156 m之外到巷道附近位置，垂直應力略小于這個深度的原巖應力。

(2)受工作面采動影響，在工作面前方30 m范圍內，工作面側向3 m處煤柱對應的水平應力由峰值(23.9 MPa)逐漸降低至接近此水平的原巖應力，受巷道開挖影響，在大巷底板的位置，水平應力集中現象明顯，應力峰值達到28.4 MPa，遠離大巷之后的位置，應力逐漸減小至略低于此水平的原巖應力。

(3)受工作面開采的影響，工作面前方的水平應力較小，隨著至工作面距離的增大，工作面上部和中部對應的水平應力逐漸增大，受巷道開挖影響，在大巷底板的位置，水平應力集中現象明顯。

4 雙重采動大巷底板所在標高應力分布

4.1 垂直應力分布特征

在1249工作面已采前提下，1109工作面推進至距離大巷不同距離時大巷底板所在標高的垂直應力分布，如圖6～圖10所示。

綜合分析圖6～圖10可以看出：

(1)在10-2煤層停采在離巷道水平距離198 m 前提下，12-1煤層推進到離大巷水平距離180 m 時，大巷開始受到輕微的采動影響，隨著12-1 煤層繼續推進，工作面離大巷越來越近，大巷受到的影響程度會逐漸增強。

圖6 1109工作面距大巷300 m時大巷底板所在標高的垂直應力分布

圖7 1109工作面距大巷240 m時大巷底板所在標高的垂直應力分布

圖8 1109工作面距大巷180 m時大巷底板所在標高的垂直應力分布

圖9 1109工作面距大巷120 m時大巷底板所在標高的垂直應力分布

圖10 1109工作面距大巷60 m時大巷底板所在標高的垂直應力分布

(2)工作面不同位置的超前影響情況有一定的差別，當工作面距離大巷超過120 m時，在工作面前方60 m范圍內，工作面側面煤柱對應的支承應力相對大一些，在60 m范圍之外，工作面各個位置對應的超前應力開始保持一致。

(3)在工作面推進到距離大巷120 m之內，工作面中部的超前應力水平相對較大，對相應段的大巷影響也會增大。

4.2 水平應力分布特征

1109工作面推進過程中距離大巷不同距離時大巷底板所在標高的水平應力分布，如圖11～圖15所示。

圖11 1109工作面距大巷300 m時大巷底板所在標高的水平應力分布

圖12 1109工作面距大巷240 m時大巷底板所在標高的水平應力分布

圖13 1109工作面距大巷180 m時大巷底板所在標高的水平應力分布

圖14 1109工作面距大巷120 m時大巷底板所在標高的水平應力分布

圖15 1109工作面距大巷60 m時大巷底板所在標高的水平應力分布

從圖11～圖15可以看出，10-2煤層和12-1煤層開采會減小大巷附近圍巖的水平應力，在工作面中部對應段的大巷水平應力最小，總體來說，對于底板不支護的大巷來說，雖然工作面開采減小了其附近圍巖的水平應力，但底板的水平應力一直維持在較高的水平。

5 工程實踐

在現場實際中，為了維護西一12-1采區軌道大巷，確定1109工作面合理停采線，在西一12-1軌道大巷左幫(靠近工作面一幫)布置兩個深5 m的測點，測點編號1#、2#，兩測點間距30 m，如圖16所示。測點處安裝應力計，監測1109工作面推進過程中西一12-1軌道大巷圍巖的受力情況。

圖16 測點應力計安裝位置示意圖

由測點應力計監測到的數據繪制1109工作面推進過程中測點應力值變化曲線，如圖17所示。

圖17 測點應力值變化曲線

從圖17可以看出，1109工作面推進到距離西一12-1軌道大巷左幫測點187 m時，測點應力值開始發生明顯變化，隨著工作面繼續推進，測點應力值逐漸增加。在現場實際中，當工作面推進至距離測點155 m時，1#測點應力值達到7.60 MPa，西一12-1軌道大巷發生明顯變形，1109工作面在此處停采，停采線距大巷平均距離169 m。

6 結論

(1)10-2煤層停采后，隨著距離停采線水平距離的增大，大巷底板所在標高垂直應力逐漸減小，水平應力逐漸增大，大巷底板水平應力集中現象明顯。

(2)從支承應力分布情況來看，當12-1煤層推進到至大巷水平距離180 m時，大巷開始受到采動影響，采動所引起的超前支承應力形成的應力集中區與巷道垂直集中應力區疊加，增加了大巷圍巖的垂直應力，增加了圍巖的載荷。

(3)大巷開挖以后，底板出現水平應力集中現象，總體來說，兩層煤開挖減小了底板的水平應力集中程度，但對于不支護的大巷底板來說，水平應力一直維持在較高的水平。

(4)實測數據顯示，12-1煤層推進到距離西一12-1軌道大巷左幫測點187 m時，測點應力值開始發生明顯變化，隨著工作面繼續推進，測點應力值逐漸增加。當工作面推進至距離測點155 m時，1#測點應力值達到7.60 MPa，西一12-1軌道大巷發生明顯變形，1109工作面在此處停采，停采線距大巷平均距離169 m。

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