熊祥林，陳朋磊

(1.平煤股份四礦，河南 平頂山 467000； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

近距離煤層開采相關的研究成果主要集中在較大的煤層間距，圍巖控制理論與技術研究體現(xiàn)在單一煤層開采方面[1-4]，對近距離煤層的研究成果需要進一步加強。王曉輝[5]基于范各莊煤礦近距離煤層上行開采，利用類比法、概率積分法及數(shù)值模擬等方法，研究了近距離煤層上行開采過程中礦壓顯現(xiàn)和覆巖運移規(guī)律，分析了各煤層間的相互影響。黃慶享[6]結合陜蒙神東煤田近距離煤層回采工作面地質條件，利用現(xiàn)場實測、物理模擬及理論分析的方法，研究了下位煤層工作面采場礦壓規(guī)律，揭示了不同層間距時巖層結構形態(tài)及演化特征。張志立等[7]針對鄂爾多斯地區(qū)近距離煤層淺埋、薄基巖、厚表土的賦存特點及其開采時存在的巖層控制問題，采用UDEC模擬軟件，并結合“關鍵層”理論及概況現(xiàn)場實測和應用過程中的數(shù)據(jù)，研究了淺埋煤層“關鍵層”結構的破斷特征，分析了相鄰煤層開采時采場圍巖結構特征及其相互作用。董興迎[8]實測了某煤礦采空區(qū)下近距離下位煤層回采期間礦壓數(shù)據(jù)，采用理論分析研究了上位煤層回采后殘留煤柱對下位煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，并采用現(xiàn)場實測分析了下位煤層采場來壓步距及工作面推進過程中液壓支架的工作阻力?；诖吮疚牟捎美碚摲治?、數(shù)值模擬的研究方法，分析己15煤層回采過程中采場支承壓力與底板損傷特征，明確己16-17-31020工作面運輸巷布置方式，得出該布置方式下巷道圍巖應力應變特征。

1 巷道概況及圍巖地質構造特征

某礦主采己煤段煤層中的己15、己16-17煤層。己15煤層位于己16-17煤層上方，層間距8～12 m。因己15煤層為解放層，故礦方一般先施工解放層，再對下伏的己17煤層進行回采，本文研究的己16-17-31020運輸巷位于己15-31040采空區(qū)下方，其具體的圍巖地質構造特征如下。

(1)煤層賦存特征。井田內含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組。含煤地層厚556～1 090 m，平均796 m，含煤21～56層，其中包括可采和局部煤層。根據(jù)巖性分為8個煤段，可采煤層以己煤段為主要煤層，本文對己15和己16-17煤層進行研究。具體煤層地質條件如下：己15煤層位于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖39～81 m，層間距平均60 m。己15煤厚1.2～1.8 m，為穩(wěn)定煤層。煤層無夾矸，呈鱗片狀、塊狀、粒狀，結構簡單，從東向西逐漸變薄。己16-17煤層位于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖46～99 m，層間距65～75 m，平均70 m，距己15煤層8～12 m。己16-17煤層厚2.2～5 m，平均厚3.6 m，為簡單煤層，己16-17煤有1層厚度0.4～0.7 m的夾矸，煤層易碎為粉末，多呈塊狀、粒狀、鱗片狀。

(2)頂?shù)装逄卣?。?5煤層底板即為己16-17煤層頂板，己15煤層伴有粉砂質泥巖偽頂，直接頂厚5～10 m，為泥巖或細砂巖；基本頂厚度10～20 m，為粉砂巖及中粒砂巖。己16-17煤層底板為厚度4.8～10 m的泥巖，較堅硬。有厚度0.4～0.8 m的偽頂(泥巖)，直接頂為粉砂質泥巖，平均厚5.45 m。己16-17煤層頂?shù)装鍘r層巖性特征見表1。

表1 己16-17煤層頂?shù)装鍘r層巖性特征Tab.1 Lithologic characteristics of roof and floor slate of Ⅵ16-17 coal seams

(3)巷道地質構造特征。根據(jù)地測科提供地質資料顯示，該回采巷地質構造簡單；預計施工中將揭露5條落差1.0～3.5 m的正斷層，對掘進有不同程度的影響，掘進過程中還可能揭露隱伏構造。

2 采場支承應力分布

2.1 工作面支承應力分布規(guī)律

受上位煤層采動影響，上覆工作面周圍煤巖體應力重新分布，隨著采煤工作面的推進，采空區(qū)頂板巖層垮落，上覆巖層載荷分布于采場周圍煤體上，四周煤壁應力增加，于工作面前方增加的應力為超前支承壓力，此壓力隨工作面推進不斷前移，側向支承壓力以及采空區(qū)后方支承壓力隨工作面推進一段時間后基本不變。采場周圍應力重新分布示意如圖1所示。

圖1 采場周圍應力重新分布Fig.1 Distribution of the stress around the mining pit

2.2 支承應力在底板中的分布特征

研究工作面支承壓力在底板巖層內的傳遞特征，對了解受上位煤層采動影響的下位煤層應力分布及影響范圍有指導意義，煤柱受到的總載荷的理論計算公式為：

P=[(B+L)×H-(L-htanδ)×h]γ

(1)

式中,P為煤柱所受總載荷；H為采深；L為采空區(qū)寬度；h為頂板垮落高度；B為煤柱寬度；δ為頂板巖層的垮落角；γ為上覆巖層的平均容重。

則遺留煤柱受到的均布載荷為：

q=[(B+L)×H-(L-htanδ)×h]γ/B

(2)

將煤巖體近似為各向同性的均勻半無限平面，建立模型來計算煤柱所受到的力，可分析采空區(qū)煤柱下任意位置巖體的應力，如圖2所示。

圖2 煤柱受力的計算模型Fig.2 Calculation of the force on the pillar

底板任意點(θ,r)的應力分量為：

(3)

用直角坐標表示為：

(4)

由(4)積分，得出底板任意點應力公式為：

(5)

根據(jù)某礦的工程概況，該礦上位煤層采空區(qū)的煤柱留設7 m。為了研究上層煤回采結束后，底板巖層受到煤柱影響的應力分布規(guī)律，將遺留煤柱寬度代入式(5)中，得出煤柱下底板應力分布特征：①上部煤層遺留的區(qū)段煤柱下底板巖層不同深度截面的垂直應力的峰值均出現(xiàn)在煤柱下方的中心線處。垂直應力在煤柱中心線下方最大，其中煤柱下5 m時，相應的垂直應力為66.4 MPa，應力集中系數(shù)為2.62，應力與煤柱中心線距離呈負相關的關系；在煤柱下方，垂直應力與底板深度也呈負相關的關系，煤柱下15 m時，最大垂直應力減小至51.6 MPa，應力集中系數(shù)為2.16，相比于5 m時，降低了14.8 MPa；而采空區(qū)下，垂直應力與底板深度呈正相關的關系。②煤柱下底板水平應力與底板深度呈負相關的關系，當煤柱下5 m時，煤柱中心線下方水平應力值最大，為73.4 MPa，應力集中系數(shù)為3.08；在煤柱下方，水平應力與底板深度呈負相關的關系。煤柱下15 m時，煤柱中心線下方水平應力為22.9 MPa，應力集中系數(shù)為0.96，接近原巖應力；采空區(qū)下，水平應力與底板深度呈正相關的關系。③上部煤層遺留的區(qū)段煤柱的切應力在煤柱中心線處的切應力值接近0，并且切應力值在煤柱范圍內變化幅度較大；隨著底板巖層的深度增大切應力值不斷減小。煤柱下5 m的切應力峰值為6.1 MPa；煤柱下15 m時，切應力峰值為5.2 MPa，相比于5 m時，降低了0.9 MPa，變化幅度較小，同一水平截面煤柱切應力值在煤柱寬度范圍內，隨著與煤柱中心線的距離增加而增大，在煤柱寬度范圍外隨距離的增加而逐漸緩和。

3 采場底板采動損傷特征

兩側工作面開采后，區(qū)段煤柱作為主要承載體，其內部支承壓力會產生應力集中，支承壓力通過煤柱底板傳遞至采空區(qū)，圍巖破壞后形成連續(xù)的滑移面。基于滑移線場理論，構建己15煤層采空區(qū)下底板的損傷模型，如圖3所示。

圖3 底板破壞深度力學模型Fig.3 Mechanical model of the depth of destruction of the bottom

基于己15煤層底板破壞的程度，可劃分為3個區(qū)域：Ⅰ為主動應力區(qū)，Ⅱ為過渡應力區(qū)，Ⅲ為被動應力區(qū)。主動區(qū)底板達到其最大承載極限后，由于垂直方向上的受力產生水平膨脹，過渡區(qū)、被動極限區(qū)煤巖體會產生采空區(qū)方向的膨脹。己15煤層留設煤柱寬7 m，將礦井相關地質參數(shù)以及煤巖體物理力學測試結果代入相關計算式，可得出，采空區(qū)底板巖層最大屈服破壞深度為12.24 m，上位煤層開采對采空區(qū)下巖層的水平破壞范圍，即被動應力區(qū)域邊界長度為10.6 m。

4 己15煤層底板應力時空演化規(guī)律

4.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)研究區(qū)域及己16-17-31020工作面地質條件，同時為綜合反映出己16-17煤層和己15煤層各工作面間的相對空間位置關系，建立模型尺寸為696 m×480 m×152 m，為了消除邊界效應，模型四周留設40 m邊界煤柱，模型共有單元數(shù)862 848個，節(jié)點數(shù)897 347個。為提高模型計算結果的準確性，將煤層網(wǎng)格尺寸設為1 m，其余網(wǎng)格疏密程度依距煤層距離而定。模型四周及地面設為固定邊界，己16-17-31020工作面埋深為較大，模型未能建立至地表，需在上邊界施加21.6 MPa的上覆巖層應力，根據(jù)該礦地應力測定數(shù)據(jù)，最大主應力為垂直應力的1.12倍，故側壓系數(shù)為1.12。實際生產中影響開采條件的因素較多，為了便于建立合理的數(shù)值模型，選取與現(xiàn)場條件相符合的參數(shù)，因此分別對己16-17煤層和己15煤層的頂?shù)装迕簶?、巖樣進行了巖石力學特性參數(shù)測試，并根據(jù)其結果對模型的煤(巖)體進行物理力學參數(shù)賦值，模型的巖性參數(shù)見表2。

表2 模型圍巖物理力學參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of model surrounding rock

4.2 數(shù)值計算結果分析

根據(jù)工作面實際回采情況，分別對己15-31040工作面、己15-31020工作面以及己15-23160工作面進行分步開挖，研究上覆工作面開采對底板巖層應力分布的影響，同時明確己15煤層相鄰工作面開采后，支承應力疊加以及煤柱應力在底板巖層中的分布規(guī)律，為下位煤層工作面布置提供依據(jù)。

(1)己15-31040工作面底板應力分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 己15-31040工作面應力傾向分布特征Fig.4 Distribution characteristics of stress tendency in Ⅵ15-31040 working face

由圖4可知，己15-31040工作面回采過后，煤層底板側向支承應力沿煤壁側影響范圍約為60 m，底板垂直應力峰值位置距采空區(qū)邊緣5 m，應力集中系數(shù)為2.65；采空區(qū)底板應力分布從左至右呈現(xiàn)“兩端較大，中部平緩”的“W”形分布特征，此時，距工作面右側采空區(qū)邊緣65 m范圍外底部巖層處于原巖應力區(qū)，應力大小接近原巖應力；沿區(qū)段煤柱軸向，受下區(qū)段工作面采動影響，其中部垂直應力較大，應力峰值達到58.72 MPa，沿采空區(qū)中部軸向，在頂板垮落壓實作用下，采空區(qū)底板產生應力集中現(xiàn)象，最大應力達到32.26 MPa。

(2)己15-31020工作面底板應力分布規(guī)律。己15-31020工作面底板應力分布規(guī)律如圖5所示。由圖5可得，己15-31020工作面回采過程中，其超前支承應力影響范圍為30 m，超前應力峰值為46.17 MPa，由本工作面超前支承應力與040采空區(qū)側向支承應力疊加形成的應力集中區(qū)域位于工作面煤柱端前方，其應力峰值可達到57.36 MPa，應力集中系數(shù)為2.4；受本工作面采動影響，區(qū)段煤柱內部應力升高，且沿煤柱軸向應力峰值范圍隨推進長度的增大而增大，應力峰值為39.96 MPa左右。

圖5 己15-31020工作面底板應力分布規(guī)律Fig.5 Stress distribution of 100m dip section in Ⅵ15-31020 working face

(3)己15-23160工作面底板應力分布規(guī)律。不同工作面回采過程中傾向剖面垂直應力演化特征如圖6所示。

圖6 不同工作面回采過程中傾向剖面垂直應力演化特征Fig.6 Vertical stress evolution characteristics of dip section in mining process of different working faces

由圖6可知，己15-23160工作面回采后，工作面底板應力呈現(xiàn)“中間大、兩邊小”的分布形態(tài)，相鄰的己15-31020靠近煤柱一側的部分采空區(qū)進一步壓實，底板應力升高，區(qū)段煤柱在應力集中作用下?lián)p傷破壞，其應力峰值降低，由43.23 MPa減小至32.06 MPa，峰值應力集中系數(shù)為1.35；此時，距煤柱邊緣40 m范圍內垂直應力接近原巖應力。綜合考慮回采巷寬度等因素，己16-17-31020運輸巷與己16-17煤層遺留煤柱間距離應不大于30 m。

5 下位煤層巷道合理位置

5.1 近距離煤層巷道布置方式選擇

根據(jù)近距離煤層開采下位煤層工作面與上位煤層遺留保護煤柱的相對位置關系，將下位煤層工作面布置方式分為內錯式布置、外錯式布置和重疊式布置。根據(jù)三水平己一采區(qū)實際生產情況，己15煤層留設7 m的區(qū)段煤柱，為保證礦井設計生產能力，確定己16-17-31020工作面采用外錯式布置方式。為降低上覆遺留煤柱集中應力對己16-17-31020工作面回采巷道的影響，需采用理論分析，并結合上一節(jié)數(shù)值模擬對錯距進行合理確定。

5.2 近距離下位煤層巷道合理布置位置

上位煤層開采后，上煤層底板在煤柱應力作用下出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，受上方煤層采動影響，采空區(qū)下方煤層處于處于卸壓狀態(tài)，采空區(qū)影響范圍內的煤層處于應力降低區(qū)。為保證巷道圍巖穩(wěn)定，己16-17-31020工作面回采巷道應遠離己15煤層遺留煤柱底板應力影響區(qū)域，己16-17與己15煤層回采巷道的最小水平錯距可根據(jù)經驗公式計算，為降低上覆煤層殘留煤柱對本工作面回采的影響，己16-17-31020工作面運輸巷采用外錯布置時，應布置在水平距己15煤層殘留煤柱24.88 m范圍外。①前述內容分析得出己15-31020工作面遺留煤柱內側30 m范圍外上覆巖層垮落壓實，對應底板出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象；②結合理論分析可得己15-31020工作面遺留煤柱底板被動應力區(qū)邊界長度為10.6 m；③同時還應綜合考慮巷道高應力、圍巖破碎的地質特征。結合前述研究結果，通過理論計算得出遺留煤柱底板最大破壞深度距煤柱邊緣的水平距離為20 m，并采用數(shù)值計算對支承壓力在底板中的時空演化規(guī)律進行分析，認為己16-17-31020工作面運輸巷布置的合理位置距煤柱邊緣應不超過30 m，同時還應盡量避開地質構造的影響。

根據(jù)數(shù)值模擬及理論分析結果，結合工程類比法，參考鄰近煤礦同類巷道布置經驗及本巷道地質條件，最終決定己16-17-31020運輸巷布置方式為外錯式；己16-17-31020運輸巷布置于己15-31040采空區(qū)下方，巷道距上覆遺留煤柱邊緣水平距離為25 m。

6 結果分析

6.1 己16-17-31020工作面運輸巷應力分布特征

對數(shù)值模擬結果進行處理，得到外錯25 m時，己16-17-31020工作面運輸巷圍巖垂直應力以及水平應力分布特征，如圖7所示。

圖7 巷道應力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics of roadway

對巷道頂?shù)装宕怪睉蛢蓭退綉Φ谋O(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，得到下位煤層巷道圍巖不同位置處應力的分布特征。繪制應力分布曲線，如圖8所示。隨著距巷道頂?shù)装寰嚯x的增大，頂板測點垂直應力不斷增大，且增加速度較快，底板垂直應力隨深度的增大增加速度緩慢。在巷道表面，頂板垂直應力為11.67 MPa，底板垂直應力為10.98 MPa；在巷道圍巖周圍8 m范圍內，頂板垂直應力變化幅度較大，增加了15.68 MPa。外錯25 m時，巷道兩幫水平應力變化趨勢基本一致，整體變化幅度較小。受己15煤層殘留煤柱影響，巷道右?guī)退綉φw大于左幫水平應力。在巷道表面時，左幫水平應力為14.13 MPa，右?guī)退綉?0.68 MPa；在8 m圍巖范圍內，右?guī)退綉﹄S深度的增加而增大，在8 m深處應力值為26.31 MPa。

圖8 巷道應力分布曲線Fig.8 Stress distribution characteristics of roadway

6.2 己16-17-31020工作面運輸巷位移分布特征

外錯25 m時，己16-17-31020工作面運輸巷垂直位移及水平位移分布如圖9所示。

圖9 巷道位移分布特征Fig.9 Distribution characteristics of roadway displacement

將巷道圍巖變形數(shù)據(jù)導出處理后得到下位煤層巷道圍巖變形與巷道圍巖深度之間的變化曲線，如圖10所示。

圖10 圍巖變形量分布曲線Fig.10 Distribution characteristics of surrounding rock deformation

受己15-31040工作面采動影響，巷道頂板及右?guī)妥冃屋^大，底板及左幫變化相對較小。外錯25 m時，隨測點深度的增大，頂板下沉量和底鼓量變化幅度較大，頂板下沉量由170 mm變?yōu)?7 mm，底鼓量由102 mm變?yōu)?8 mm；左幫和右?guī)鸵平繉ι疃茸兓容^小，整體趨于平穩(wěn)，右?guī)鸵平繛?39～166 mm，左幫移近量為108～123 mm；隨著外錯距離的增大兩幫移近量變化幅度逐漸減小。

綜上所述，外錯距離為25 m左右時，受上部煤層采空區(qū)及遺留煤柱影響較小，之后在增大外錯距離一方面會導致工作面過長，另一方面對改善工作面礦壓效果有限，因此最終決定工作面采用外錯25 m布置。

7 結論

(1)采用理論計算的方法對上位煤層采場支承壓力、底板采動損傷程度、下位煤層巷道位置布置進行了分析，計算得到己15煤層回采后底板被動應力區(qū)域邊界長度為10.6 m，揭示了己15-31040工作面、己15-31020工作面、己15-23160工作面依次開采時煤柱下方底板應力峰值由63.38 MPa減小至54.63 MPa、然后無明顯變化的特征。

(2)結合底板被動應力區(qū)域邊界長度、煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)、煤柱壓力影響角、煤炭資源采出率、安全掘進等因素，取計算結果的最大值，即巷道采用外錯上位煤柱25 m的布置方式，研究了該布置方式下巷道圍巖的應力、位移分布特征，揭示了該布置方式下巷道處于低應力環(huán)境的特性，且可為巷道圍巖控制提供一定的參考依據(jù)。