朱獻(xiàn)偉，趙紅超，馬 闖

(1.河南平寶煤業(yè)有限公司 首山一礦，河南 平頂山 462500；2.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著煤礦開采深度的增加，自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場對巷道圍巖的疊加作用將進(jìn)一步加強(qiáng)。煤層開采之后，頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力場將發(fā)生變化，其結(jié)果必將造成頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生變形、位移甚至破壞。對于一般掘進(jìn)擾動巷道，通常采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力、讓壓支護(hù)技術(shù)基本上可以有效地控制巷道圍巖變形。但對于處于采動影響作用下次生應(yīng)力場發(fā)育的底板瓦斯抽放巷，在考慮合理支護(hù)方案的基本前提下，必須重點(diǎn)考慮巷道的布置位置，以避開深部強(qiáng)采動帶來的高支承壓力的影響，從而使巷道處于較易維護(hù)的次生應(yīng)力環(huán)境中。為此，本文以首山一礦己15-12050工作面底板瓦斯抽放巷為研究對象，重點(diǎn)分析在疊加應(yīng)力場中受采動影響作用下底板巷道的合理布置方式。

1 工程概況

首山一礦主采煤層為己16、己17煤，直接頂板以砂質(zhì)泥巖(泥巖)為主，底板以泥巖為主，局部為細(xì)粒砂巖。己15煤厚度1.80～4.71m，平均3.50m。試驗巷道己15-12050工作面機(jī)巷底板抽放巷布置見圖1，平均埋深為750m，實際生產(chǎn)地質(zhì)條件見表1。

圖1 試驗巷道采掘工程平面

2 底板瓦斯抽放巷應(yīng)力分布規(guī)律

2.1底板應(yīng)力分布規(guī)律理論計算[2-3]

由于巖層強(qiáng)度大于煤體強(qiáng)度，在上部覆巖自重作用下，煤層橫向變形大于巖層橫向變形。因此，煤層相對于巖層有一向外運(yùn)動的趨勢，這樣就在煤層與其頂板之間形成一摩擦力即剪切應(yīng)力。如圖2所示，剪切應(yīng)力為τzx，煤柱內(nèi)水平應(yīng)力為σx，采空區(qū)側(cè)巷幫支護(hù)強(qiáng)度為Px，煤層厚度為m。

圖2 煤柱內(nèi)極限平衡力學(xué)模型

在極限平衡區(qū)寬度x0為：

(1)

(2)

極限平衡區(qū)內(nèi)載荷在底板產(chǎn)生的垂直應(yīng)力σz1和水平應(yīng)力σx1分別為：

(3)

則彈性區(qū)內(nèi)載荷在底板產(chǎn)生的垂直應(yīng)力σz2和水平應(yīng)力σx2分別為

(4)

式中，煤層厚度m為3.5m；內(nèi)摩擦角φ為25°；黏聚力為1.5MPa；水平側(cè)壓系數(shù)A為1.3；上工作面巷幫支護(hù)阻力Px為0.3MPa；側(cè)向支承壓力集中系數(shù)K為3；上覆巖層平均容重γ為25 kN/m3；工作面埋深H為750m；煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)f為0.2。

將上述數(shù)據(jù)代入式(4)可以求得工作面底板任何點(diǎn)的應(yīng)力，圖3為工作面后方20m到工作面前方20m底板30m范圍內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律。

由圖3可以看出，底板應(yīng)力分布具有以下規(guī)律：

(1)在工作面前方5m內(nèi)，因煤體破碎而承載能力急劇下降，垂直應(yīng)力較低；在工作面前方10～20m為應(yīng)力集中區(qū)，在底板深度方向，垂直應(yīng)力 先增大后減小，而在工作面后方20m，深度小于20m的范圍內(nèi)，圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)。

圖3 工作面底板垂直應(yīng)力分布規(guī)律

(2)在工作面前方10～20m，底板垂直應(yīng)力在深度7m處達(dá)到峰值，隨后不斷減小，在底板深度大于20m時，垂直應(yīng)力集中系數(shù)在1.6～2.3之間，但同時圍巖的承載能力較高。

2.2 采動影響底板應(yīng)力分布數(shù)值分析

采用FLAC3D對底板應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值計算模型參數(shù)選擇首山一礦己15-12050工作面實際圍巖力學(xué)參數(shù)(參照表1)。模型大小為180m×80m×83.5m，單元總數(shù)為321600，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為337348。該模型側(cè)面限制水平移動，底面限制垂直位移，上表面為應(yīng)力邊界，施加荷載15MPa以模擬上覆巖體自重，材料符合摩爾庫倫模型。分別研究底板巷道掘進(jìn)及采動影響階段垂直應(yīng)力分布情況。

2.2.1 掘進(jìn)影響階段

圖4為己15-12050工作面機(jī)巷開挖后垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布。從圖4可以看出，底板巷道應(yīng)力分布具有以下規(guī)律：

圖4 機(jī)巷掘進(jìn)后底板應(yīng)力場

(1)巷道開挖后，在兩幫形成垂直應(yīng)力集中區(qū)，兩幫應(yīng)力峰值距巷道表面距離為6m，頂?shù)装逍纬奢^大范圍的低應(yīng)力區(qū)，底板低應(yīng)力區(qū)深度為25m，并且在底板7m范圍內(nèi)，圍巖垂直應(yīng)力低于10MPa。

(2)隨著遠(yuǎn)離巷道底板，底板應(yīng)力在小于10MPa時，增加較快，大于10MPa后，應(yīng)力增長速度逐漸減慢，應(yīng)力梯度越來越平緩。在水平方向，底板垂直應(yīng)力先減小后增大，并且在底板深度為14m平面應(yīng)力降低區(qū)范圍最大。

(3)在巷道頂?shù)装逍纬伤綉?yīng)力集中區(qū)，因松軟類底板和近距離煤層的影響，在底板形成較大范圍的水平應(yīng)力集中區(qū)，范圍為底板深度大于10m，巷道前后方10m的范圍。

2.2.2 回采影響階段

圖5為己15-12050工作面回采后底板垂直應(yīng)力分布。

圖5 回采后底板垂直應(yīng)力場分布

從圖5可知：

(1)工作面回采后，在工作面后方形成應(yīng)力降低區(qū)，工作面前方形成應(yīng)力升高區(qū)，進(jìn)入深部開采后，礦壓顯現(xiàn)劇烈，在工作面后方底板深度20m，呈三角形分布的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力僅為3MPa，在工作面前方5～14m范圍內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)大于2，應(yīng)力集中系數(shù)最大為3.2。

(2)在底板深度超過20m，應(yīng)力梯度變緩，并且最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.25，在水平方向工作面前方15m至工作面后方30m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力最大為25MPa，最小為3MPa，應(yīng)力集中系數(shù)0.15～1.25，為較合理的底板瓦斯抽放巷布置位置，而在工作面前方超過15m范圍，應(yīng)力集中系數(shù)超過1.25，巷道周邊應(yīng)力較大，維護(hù)困難，但考慮瓦斯鉆孔不宜過長，在工作面后方，底板瓦斯抽放巷不應(yīng)超過15m。從垂直應(yīng)力分布來說，最適合布置底板瓦斯抽放巷的位置為底板深度大于20m，工作面前方15m至工作面后方15m的區(qū)域。

綜合考慮己15-12050工作面機(jī)巷開挖后在底板形成較大范圍的水平應(yīng)力集中區(qū)、己15-12050工作面回采后垂直應(yīng)力分布規(guī)律，最適合布置底板瓦斯抽放巷的位置為底板深度大于20m，工作面前方10～15m和工作面后方10～15m的區(qū)域。

3 采動影響底板巷道合理位置確定

3.1 底板巷道布置位置方案的提出

考慮瓦斯抽放鉆孔不宜過長、抽放效果以及底板瓦斯抽放巷的維護(hù)等因素，提出圖6所示的底板瓦斯抽放巷布置方式：

(1)外錯布置與己15-12050工作面機(jī)巷水平距離15m，與機(jī)巷底板垂直距離為20m，圖6A處；

(2)內(nèi)錯布置與己15-12050工作面機(jī)巷水平距離15m，與機(jī)巷底板垂直距離為20m，圖6B處。

圖6 底板瓦斯抽放巷的內(nèi)錯布置和外錯布置

外(內(nèi))錯布置底板瓦斯抽放巷均要經(jīng)受3次采掘影響：底板瓦斯抽放巷開挖引起的掘進(jìn)擾動；己15-12050工作面機(jī)巷開挖引起的掘進(jìn)擾動；己15-12050工作面回采引起的采動擾動。

3.2 “外錯式”布置方式的分析

3.2.1 底板瓦斯抽放巷開挖

圖7為底板瓦斯抽放巷開挖引起的應(yīng)力場分布圖。由圖7可以看出，底板瓦斯抽放巷開挖后，應(yīng)力分布有以下規(guī)律：

圖7 一次采動影響圍巖應(yīng)力場分布

(1)垂直應(yīng)力在兩幫形成應(yīng)力集中區(qū)，最大垂直應(yīng)力為25MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，在兩幫深度1～6m，從底板高度-1～4m區(qū)域垂直應(yīng)力大于18MPa，在水平方向呈橢圓形分布，而在淺部開采，應(yīng)力集中系數(shù)一般為1.2～1.3。

(2)垂直應(yīng)力在頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力降低區(qū)，范圍為頂?shù)装迳畈?～6m，從左幫寬度-1～6m的區(qū)域，應(yīng)力降低區(qū)范圍較大，并且在頂?shù)装迳畈?～2m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力僅有4MPa，淺部圍巖處于低應(yīng)力環(huán)境，利于巷道的維護(hù)。

(3)水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)范圍為頂?shù)装迳疃?～8m，巷道兩幫形成應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)為兩幫深部0～8m，從底板-2～5m的區(qū)域。

3.2.2 己15-12050工作面機(jī)巷開挖

圖8為機(jī)巷開挖后，底板瓦斯抽放巷圍巖應(yīng)力情況。由圖8可以看出：

圖8 二次采動影響圍巖應(yīng)力場分布

(1)機(jī)巷開挖相當(dāng)于對底板瓦斯抽放巷進(jìn)行頂板卸壓，圍巖應(yīng)力明顯向機(jī)巷方向轉(zhuǎn)移，右?guī)蜕疃?m圍巖垂直應(yīng)力為16MPa，而左幫深度8m圍巖垂直應(yīng)力為18MPa。

(2)底板瓦斯抽放巷兩幫水平應(yīng)力和左幫垂直應(yīng)力在機(jī)巷開挖后均有不同程度的增加，但變化較小，右?guī)痛怪睉?yīng)力隨著靠近機(jī)巷，應(yīng)力差逐漸增大，且開挖后垂直應(yīng)力低于開挖前，最大差值為1.7MPa，底板瓦斯抽放巷處于較易維護(hù)的應(yīng)力環(huán)境。

(3)機(jī)巷開挖后，頂板垂直應(yīng)力有所降低，底板垂直應(yīng)力有所升高，底板水平應(yīng)力基本不變，但頂板水平應(yīng)力變化較大，隨著深入頂板，在同一位置，開挖后水平應(yīng)力不斷減小，開挖后與開挖前水平應(yīng)力差不斷增大。

3.2.3 己15-12050工作面回采

圖9為己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷圍巖應(yīng)力均分布情況。

圖9 三次采動影響圍巖應(yīng)力場分布

由圖9可知，己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷圍巖應(yīng)力有以下分布規(guī)律：

(1)底板瓦斯抽放巷兩幫垂直應(yīng)力均大幅度增加，左幫垂直應(yīng)力峰值從25.4MPa增加到40.2MPa，增加58.3%；右?guī)痛怪睉?yīng)力峰值從24.8MPa增加到33MPa，增加33.1%。兩幫承受著高支承壓力的影響，煤幫表面圍巖從外及里破碎，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，左幫垂直應(yīng)力峰值從開挖前的2m轉(zhuǎn)移到深部的3m，而水平應(yīng)力在回采前后基本不變；右?guī)退綉?yīng)力在回采后有所降低，并且隨著靠近工作面端頭，減小的幅度越來越大，最大應(yīng)力差為2MPa。

(2)己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷頂?shù)装逅綉?yīng)力呈不規(guī)則分布，受采動影響較大，頂?shù)装逅綉?yīng)力均有大幅度的減小，頂幫水平應(yīng)力最大減小值為7.1MPa，位于頂板深度5m的位置，減小幅度為34.8%，底板水平應(yīng)力最大減小值為10.9MPa，位于底板深度3m的位置，較小幅度為72.7%，從對水平應(yīng)力的分布影響來說，工作面回采對底板影響最大，對頂板影響次之，兩幫影響較小。

(3)己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷頂?shù)装宕怪睉?yīng)力均有不同程度的增加，尤其是底板垂直應(yīng)力增加幅度較大，最大增加值為12.2MPa，位于底板深度10m的位置，增加幅度為78.2%，頂板相對增加幅度較小，最大增加值為2.6MPa，位于頂板深度10m的位置，增加幅度為17.2%，從垂直應(yīng)力來說，工作面回采對底板影響最大，左幫其次，右?guī)痛沃?，頂板最小?/p>

3.3 “內(nèi)錯式”布置方式的分析

3.3.1 底板瓦斯抽放巷開挖

由圖10可以看出，底板瓦斯抽放巷開挖后，應(yīng)力分布有以下規(guī)律：

圖10 一次采動影響圍巖應(yīng)力場分布

(1)垂直應(yīng)力在兩幫形成應(yīng)力集中區(qū)，最大垂直應(yīng)力為25MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，在兩幫深度1～6m，從底板高度-1～4m區(qū)域垂直應(yīng)力大于18MPa，在水平方向呈橢圓形分布，而在淺部開采，應(yīng)力集中系數(shù)一般為1.2～1.3，深部巷道兩幫承受著高垂直壓力的影響。

(2)垂直應(yīng)力在頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力降低區(qū)，范圍為頂?shù)装迳畈?～6m，從左幫寬度-1～6m的區(qū)域，應(yīng)力降低區(qū)范圍較大，并且在頂?shù)装迳畈?～2m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力僅有4MPa，淺部圍巖處于低應(yīng)力環(huán)境，利于巷道的維護(hù)。

(3)水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)范圍為頂?shù)装迳疃?～8m，在錨固區(qū)內(nèi)錨桿承受較大的剪應(yīng)力。水平應(yīng)力在巷道兩幫形成應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)范圍為兩幫深部0～8m，從底板-2～5m的區(qū)域。

3.3.2 己15-12050工作面機(jī)巷開挖

由圖11可知，機(jī)巷開挖后，底板瓦斯抽放巷圍巖應(yīng)力具有以下分布規(guī)律：

圖11 二次采動影響圍巖應(yīng)力場分布

(1)機(jī)巷開挖相當(dāng)于對底板瓦斯抽放巷進(jìn)行頂板卸壓，底板瓦斯抽放巷圍巖應(yīng)力明顯向機(jī)巷方向轉(zhuǎn)移，左幫深度9m圍巖垂直應(yīng)力為16MPa，而右?guī)蜕疃?m圍巖垂直應(yīng)力為18MPa。

(2)底板瓦斯抽放巷兩幫水平應(yīng)力和右?guī)痛怪睉?yīng)力在機(jī)巷開挖前后基本不變，右?guī)蛻?yīng)力隨著靠近機(jī)巷，機(jī)巷開挖前后應(yīng)力差逐漸增大，且開挖后垂直應(yīng)力低于開挖前，最大垂直應(yīng)力差為1.7MPa，機(jī)巷的開挖使底板瓦斯抽放巷處于更易維護(hù)的應(yīng)力環(huán)境。

(3)機(jī)巷開挖后，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力均有所增加，底板增加的幅度要大于頂板的幅度，但均變化不大，頂?shù)装逅綉?yīng)力均增大，頂板增加的幅度要大于底板，但也均變化不大。

綜上所述，內(nèi)錯布置時，機(jī)巷開挖對圍巖水平應(yīng)力影響較小，對垂直應(yīng)力分布影響較大，其中對左幫影響相對最大。

3.3.3 己15-12050工作面回采

由圖12可知，己15-12050工作面回采后，底板瓦斯抽放巷圍巖應(yīng)力有以下分布規(guī)律：

(1)己15-12050工作面回采后，兩幫垂直應(yīng)力變化較大，左幫垂直應(yīng)力峰值在左幫深度2m，并且左幫在此處工作面回采前后垂直應(yīng)力差最大，為14.6MPa，與回采前相比，減小156.7%，到左幫深度10m左右，回采前后垂直應(yīng)力基本相同，右?guī)痛怪睉?yīng)力峰值也在右?guī)蜕疃?m，右?guī)驮诖颂幑ぷ髅婊夭汕昂蟠怪睉?yīng)力差最大，為14.7MPa，與回采前相比，減小221.6%，到左幫深度4m左右，回采前后垂直應(yīng)力差基本穩(wěn)定，為13MPa左右。

圖12 三次采動影響圍巖應(yīng)力場分布

(2)己15-12050工作面回采后，兩幫水平應(yīng)力均有較大幅度地降低，并且在兩幫變化規(guī)律較為一致，隨著遠(yuǎn)離巷道表面，水平應(yīng)力一直增大，但增大幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，與回采前相比，左幫水平應(yīng)力最大減小值為6.2MPa，在左幫深度6m處，右?guī)退綉?yīng)力最大減小值為6.4MPa，在右?guī)蜕疃?0m處，并且在右?guī)?，隨著遠(yuǎn)離工作面端頭，回采前后水平應(yīng)力差逐漸增加。

(3)己15-12050工作面回采后，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力均有不同程度地降低，并且隨著遠(yuǎn)離巷道表面，回采前后垂直應(yīng)力差逐漸增大，尤其在頂板，減小幅度較大，最大值為12.9MPa，回采后，頂板最大垂直應(yīng)力僅為3.84MPa，在頂板深度5m處。

(4)己15-12050工作面回采后，頂?shù)装逅綉?yīng)力變化較大，在底板，回采后水平應(yīng)力有所增加，并且在底板深度5～6m范圍內(nèi)，出現(xiàn)回采前后同一位置水平應(yīng)力相等的情況，在頂板，回采前后水平應(yīng)力差變化較大，最大值出現(xiàn)在頂板深度4m的位置，最大值為15.5MPa，減小幅度為119.2%。

3.4 合理底板巷道布置方式的確定

綜上所述，雖然“內(nèi)錯式”布置兩幫移近量相對較大，但“外錯式”布置頂板下沉量較大，降低了巷道的安全系數(shù)，并且“外錯式”布置圍巖左幫垂直應(yīng)力峰值高達(dá)40MPa，巷道長期處于高應(yīng)力環(huán)境，不利于巷道的長期穩(wěn)定，而底板瓦斯抽放巷要為工作面回采上隅角瓦斯治理服務(wù)，“內(nèi)錯式”布置雖然底鼓量較大，但工作面回采后圍巖處于低應(yīng)力環(huán)境中，利于巷道的長期穩(wěn)定，因此，合理的底板瓦斯抽放巷布置為“內(nèi)錯式”布置。

4 圍巖控制效果

己15-12050工作面機(jī)巷底板瓦斯抽放巷采用“內(nèi)錯式”布置，礦壓監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。

圖13 表面位移監(jiān)測曲線

由圖13可知：巷道開挖后，表面位移監(jiān)測曲線快速上升，持續(xù)時間16d左右，頂?shù)装迤骄平俣葹?.30mm/d，兩幫平均移近速度為3.25mm/d，隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，圍巖變形速度不斷減小，與掘進(jìn)工作面距離63m，圍巖變形趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)影響期大約為22d，巷道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，兩幫移近量為68mm，頂?shù)装逡平繛?7mm，圍巖控制效果較好。

5 結(jié)論

(1)首山一礦己15-12050工作面最適合布置底板瓦斯抽放巷的位置為底板深度大于20m，工作面前方10～15m和工作面后方10～15m的區(qū)域。

(2)底板瓦斯抽放巷可以綜合考慮“外錯式”和“內(nèi)錯式”。2種布置方式都必須經(jīng)歷3次采動影響，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。綜合考慮應(yīng)力環(huán)境、巷道圍巖變形以及安全生產(chǎn)，合理的底板瓦斯抽放巷布置為“內(nèi)錯式”。

(3)現(xiàn)場試驗表明，采用“內(nèi)錯式”的巷道布置方式，兩幫移近量為68mm，頂?shù)装逡平繛?7mm，圍巖控制效果較好。

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