重复采动下顶板含水巷道顶底板变形机理及控制

赵善坤

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

重复采动下顶板含水巷道顶底板变形机理及控制

赵善坤1,2,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

[摘要]针对内蒙古巴彦高勒煤矿重复采动下影响顶板含水层回风巷道顶底板变形较大的问题，采用现场实测及理论分析方法，通过分析巷道围岩松动圈的成因及影响因素，对巷道顶底板变形较大的机理及控制措施进行了研究。结果表明：初次采动影响时，支承压力主要作用于护巷煤柱，巷道顶板松动圈范围较小，护巷煤柱应力在巷道底板释放导致局部的底鼓现象，但巷道顶底板整体变形不明显；重复采动影响时，巷道顶板承受支承压力较大、两帮应力在底板释放，顶底板松动圈范围扩大，顶板松动圈发育至含水层后，顶板水弱化顶底板煤岩体强度，导致顶底板松动圈进一步增大，巷道顶底板变形较大；提出了相应的巷道变形控制措施，在现场应用效果显著。

[关键词]重复采动；顶板含水层；巷道变形；松动圈

目前，组合拱理论、松动圈理论、围岩强度强化理论等在巷道支护中得到了普遍使用[1-2]，但无论哪种理论，支护目标均是对浅部松动围岩予以支护以保证深部弹塑性围岩保持稳定[3]。而巷道变形量大小是评价巷道支护效果的最直接依据，一些学者认为工作面回采产生的支承压力改变了围岩受力，从而增大了巷道顶底板变形量[4]，一些学者通过研究发现水将围岩软化进而增大了巷道顶底板变形量[5-6]。对于重复采动影响下顶板具有含水层的回采巷道，受采动、水等多个因素影响时巷道顶底板变形特征及其影响原因等，以往学者并未进行深入的研究。

基于此，以内蒙古巴彦高勒煤矿311102工作面为工程背景展开研究，通过现场实测及理论分析方法，对顶板具有含水层的回风巷道受重复采动影响巷道顶底板变形较大的机理进行研究，并提出相应的控制技术，以保证工作面的安全高效开采。

1工程概况

巴彦高勒煤矿3-1煤11盘区回采巷道采用双巷掘进，巷道间留设30m宽的护巷煤柱。回风巷道用于本工作面回风、运料等，维护该巷道的稳定对工作面的安全高效生产至关重要。

盘区内工作面煤层赋存较稳定，煤层厚度为4.8～6.21m，煤层倾角0～3°，直接顶为1～6m厚的砂质泥岩，基本顶为10～37m厚的中粒砂岩，属于含水层，工作面回采前将顶板水提前抽放。

回风巷道沿3-1煤层底板掘进，设计宽×高=5.4m×4.2m，矩形断面。巷道全部布置在煤层中，巷道上方为0.6～2m的顶煤。巷道支护情况如图1所示。顶板采用锚网索支护，顶板布置4根锚杆、2根锚索，两帮各布置4根锚杆，顶板及两帮铺设钢筋网，锚杆规格为φ20mm×2200mm的螺纹钢，设计锚杆间距为1000mm，排距为1000mm，锚索规格为φ21.6mm×7300mm的钢绞线，设计锚索间距为1600mm，排距为3000mm，钢筋网采用φ6.5mm圆钢，规格为100mm×100mm。

图1　巷道断面及支护

2巷道顶底板变形及顶板松动圈特征

2.1巷道变形情况

为了分析采动影响时的巷道变形特征，在311102工作面回采期间分别对311102工作面辅运巷道(即311103工作面回风巷道)及回风巷道变形情况进行观测，发现巷道围岩变形情况呈现以下特点：

(1)受初次采动影响，回风巷道顶板及两帮变形不明显，局部有底鼓，最大底鼓量超过0.5m。

(2)受重复采动影响，回风巷道顶底板移近量较大，工作面前方100m范围内顶板下沉量较大，且巷道底鼓量较大，顶煤较破碎；回风巷道两帮移近量相对较小，工作面前方100m位置两帮移近量不大，工作面前方50m位置净宽仍达到4.5m以上。

(3)局部回风巷道顶板有淋水现象，底板有积水。

2.2顶板松动圈分布

由于巷道变形是围岩松动圈发育直接作用的结果，为了分析受采动影响时回风巷道松动圈分布特征以确定顶板变形较大的原因，在311102工作面辅运巷道及回风巷道顶板分别布置多个钻孔，通过钻孔窥视仪对各测孔进行跟踪探测。

通过观测发现，初次采动影响后，辅运巷道顶板松动圈在0～3m范围内，且裂隙较稀疏，顶煤有少量裂隙发育。重复采动影响时，311102工作面回风巷道超前工作面100m位置顶板松动圈在0～4m范围，且裂隙密集程度增大，超前工作面55m位置顶板松动圈范围为8m，且裂隙密集、围岩破碎，顶煤裂隙较多，部分窥视结果见图2。

图2　顶板松动圈观测情况

窥视过程中观测到顶板水从顶板较深处裂隙喷出，并将裂隙周边岩体泥化，如图3所示是顶板8.2m深裂隙喷水情况及围岩泥化情况。

2.3巷道顶底板变形原因初步分析

通过以上现场监测发现，矿井现有的锚网索支护并不能有效地控制巷道顶底板变形，从巷道围岩应力环境及围岩岩性综合分析[7]，认为工作面回采巷道顶底板变形严重的主要原因有以下几个方面：

(1)巷道顶板留有0.6～2m的顶煤，在采动影响下较破碎。

图3　顶板围岩泥化现象

(2)受采动影响时，围岩受力增大。

(3)顶板松动圈高度较大，而顶板锚索长度偏短，不能将下部破碎围岩悬吊于上覆坚硬稳定岩层上。

(4)巷道顶板富含水，虽然已提前抽放，但局部区域顶板仍有少量水，水的存在改变了顶底板煤岩体力学性质。

由于松动圈的存在是引起巷道变形的前提[3]，因此要研究回风巷道变形机理，需分析围岩松动圈的形成原因及围岩松动圈的影响因素。

3巷道变形机理

3.1围岩松动圈成因

结合以往学者研究结果[8]可知，三向压缩状态下围压越大，岩石的强度越大，且岩石的单轴抗压强度明显弱于三轴压缩强度。

巷道开挖后，一个方向应力解除，巷道浅部围岩三向压缩状态改变，由于围压减小导致围岩强度降低，在原地应力作用下，巷道浅部围岩将发生塑性破坏，直至破碎状态。

结合弹性力学基础理论[9]，对于如图4所示的厚壁矩形均质薄板，距孔中心r处径向压力、切向压力为

(2)

式中，a为薄板内部圆孔半径；q1，q2为薄板四周所受均布载荷；r及θ表示薄板上各个方位点的坐标，r为各个方位点距圆孔中心的距离，θ为各个方位点与x轴正方向的夹角，顺时针转动时为正。

图4　巷道围岩受力情况

对于圆形巷道，若采取一定的支护方式后最后保持巷道的稳定，巷道周边不同深度围岩破坏情况不同，此时可以将巷道周边围岩假设为非均质材料，因此巷道围岩应力随r的变化趋势与公式(1)、(2)相类似，随着r的增大，巷道围岩径向压应力及切向压应力均逐步增大。围压的增大强化了围岩强度，因而巷道深部围岩在发生塑性破坏之后能够保持稳定，而不向破碎状态转变，更深部围岩围压进一步增大，处于弹性状态。破碎围岩即为围岩松动圈，因而只要能保证破碎围岩、塑性破坏围岩稳定，巷道即可保持稳定。

结合以上分析可知，围岩松动圈范围是围岩受力与围岩强度共同决定的，根据以往学者研究结果，围岩松动圈的大小L由围岩应力P与围岩强度R间的相对关系决定，L=f(P，R)。

巷道采用锚网索支护即是为了促进浅部破碎围岩的稳定，进而增大深部围岩围压，强化深部围岩强度，从而保证巷道的稳定。

与圆形巷道相比，矩形巷道四个角存在较大的应力集中，但是从整体上来看，以上针对圆形巷道的分析对矩形巷道而言显然也成立。

3.2围岩松动圈影响因素

3.2.1巷道断面大小

由公式(1)、(2)可知，多个孔径不同的均质弹性体，具有某一相同径向压应力、切向压应力的位置与孔中心的距离r随孔径a的增大而增大。对于非均质体的巷道围岩也将呈现相同的变化趋势，因此深部处于弹塑性状态的围岩达到某一径向压应力、切向压应力所需的半径r随孔径a的增大而增大。由此可知，圆形巷道孔径越大，围岩弹塑性区域分布范围越深，松动圈范围越大。

显然以上分析对矩形巷道也成立，因此巷道断面越大，围压松动圈越发育。

3.2.2采动应力

随着工作面推进，在采动影响下巷道围岩应力增大，由于围岩应力与围岩强度对应关系发生变化，内部塑性区围岩继续向破碎岩石转变，塑性区向围岩深部发展，因而松动圈范围进一步扩大。

3.2.3水的影响

水对围岩松动圈的影响主要表现为降低围岩强度。若巷道围岩含黏性矿物较多，围岩遇水时将崩解、膨胀，此外围岩遇水后易软化，这些均将弱化围岩强度，围岩应力与自身强度对应关系改变后，围岩松动圈进一步发育。

3.3围岩松动圈对巷道支护的要求

巷道变形是围岩松动圈范围与巷道支护能力共同作用的结果，结合以上分析结果可知，要使巷道围岩保持较高的稳定性，必须对浅部松动围岩施加足够的支护，保证浅部破碎围岩的稳定，进而保证深部弹塑性围岩的稳定，从而抑制松动圈的继续发展，减小巷道变形量[10-15]。

3.4变形机理分析

结合以上分析可知，随着回风巷道断面增大，巷道围岩松动圈增大，但采动影响前巷道围岩松动圈范围仍相对较小，对于顶板围岩较完整的巷道，现有的锚网索联合支护完全能满足支护要求，因此巷道保持较高的稳定性。

当回采巷道采用双巷掘进且护巷煤柱较宽时，临近工作面回采产生的采动应力主要由护巷煤柱承担，巷道顶板围岩应力增幅不大，因而初次采动影响时顶板松动圈变化较小，现有的锚网索支护可以满足顶板支护要求，巷道变形较小。重复采动影响时回风巷道受临近采空区侧向支承压力及本工作面超前支承压力的双重影响，巷道顶板围岩应力增幅较大，巷道顶板围岩松动圈扩大。若顶板具有含水层且松动圈导通含水层，遗留的顶板水通过顶板裂隙流出并将降低围岩的强度，进一步增大松动圈范围，因而相比初次采动影响时，重复采动影响下的回风巷道顶板松动圈大幅度扩大。若此时锚杆、锚索锚固端位于围岩破碎区域内，则锚杆、锚索将与围岩同时运动，导致巷道顶板变形较大，严重时可能发生冒顶事故。

由于护巷煤柱较宽时，临近工作面采动应力主要由护巷煤柱承担，部分煤柱应力将通过巷道底板释放，因而底板松动圈有所扩大，巷道底板局部有底鼓现象。重复采动影响时，临近采空区侧向支承压力及本工作面采动应力的影响，积聚于巷道两帮的更多的应力将通过底板释放，因而重复采动影响时底板松动圈进一步发育，巷道呈现更大的底鼓量。此外，顶板水通过底板松动圈进入深部塑性区域，降低围岩强度，导致底板松动圈范围将进一步加大，导致底鼓更加严重。

3.5现场实例

巴彦高勒煤矿311102工作面回风巷道顶板留有0.6～2m的顶煤，直接顶属于1～6 m的砂质泥岩，由于巷道断面较大，因此采动影响前，巷道顶板松动圈范围较大，介于0～1.5m之间，但现有的锚网索支护能够达到较好的支护效果，因此巷道较稳定。由于护巷煤柱较宽为30m，初次采动影响时，支承压力大部分由护巷煤柱承担，巷道顶板围岩应力增幅较小，因而巷道顶板松动圈仅有小量扩大。由于护巷煤柱应力通过底板释放，导致巷道局部底鼓量较大，在一些区域巷道最大底鼓量超过0.5m。重复采动影响时巷道顶板受力增幅较大，因而顶板松动圈范围大幅度增大，松动圈导通上覆含水层，遗留的顶板水降低围岩强度，进一步增大了松动圈范围，导致巷道松动圈增至0～8m范围，目前回风巷道采用7.3m锚索不能有效地保证松动范围的稳定，因而巷道顶板变形严重。重复采动影响时巷道两帮应力大部分通过巷道底板释放，因此巷道底板松动圈扩大，顶板水流入底板并降低了底板围岩强度，进一步增大了底板松动圈范围，因而巷道底板变形严重。

通过以上分析可知，初次采动影响时回风巷道顶底板松动圈扩大幅度较小，因而顶底板变形较小。但是重复采动影响时，受采动应力较大及顶板水弱化围岩强度等因素的共同作用，促进了回风巷道顶底板松动圈的发育，最终导致巷道顶底板变形较大，因此急需提出相应的措施以减小巷道顶底板变形量。

4巷道变形控制措施及现场应用

4.1控制措施

由上述分析可知，初次采动影响时回风巷道顶底板松动圈范围增幅不明显，若巷道底鼓比较严重，仅需对底鼓段进行处理。重复采动影响时，采动及水等原因导致巷道顶底板变形较大，因此从以下几个方面提出了顶底板变形控制措施。

(1)确定合理的顶板锚索长度应根据松动圈观测结果确定合理的顶板锚索长度，对目前正在服务的回采巷道进行及时补强支护，并对正在掘进的回风巷道支护方式进行优化。

(2)底板支护采用锚索支护底板，抑制底板松动圈范围的扩大，从而减小底鼓量。

(3)避免水对围岩强度的弱化探放水应彻底，并及时将回风巷道底板积水排出，避免顶板遗留水对顶底板围岩强度的弱化作用。

(4)及时处理底鼓及时将巷道底鼓部分进行处理，以增大巷道通风断面积。

4.2现场应用

初次采动影响时，巴彦高勒煤矿311102工作面辅运巷仅局部底鼓较大，可采取及时处理底板措施。311102工作面回风巷道受重复采动影响时顶底板变形严重，且相对于顶板变形，底鼓量较小，通过及时处理底鼓地段即可保证工作面回采，从安全高效生产及控制成本的角度考虑，回风巷道顶板控制是矿井面临的重点问题，巷道顶板松动范围较大，若不采取有效措施容易造成冒顶事故，因而最终确定在回风巷道采用及时清理底鼓岩石、顶板补强支护的措施。结合松动圈观测结果及理论分析，最终确定采用φ21.6mm×9300mm锚索对顶板进行补强支护，锚索间距为1600mm，排距为3000mm，及时抽放底板积水。

采动应力监测显示工作面前方140m位置回风巷道已进入重复采动影响范围，因此对补强支护前后重复采动影响范围内巷道顶底板变形进行观测，观测结果如图5所示。从图5中可以看出，补强支护前工作面每推进10m顶底板移近70～105mm，补强支护后工作面每推进10m顶底板移近30～60mm，补强支护后巷道顶底板移近速度明显减小，回风巷道顶底板变形得到了有效控制。

图5　补强支护前后巷道顶底板变形

6结论

(1)现场观测发现，巴彦高勒煤矿311102工作面回风巷道顶底板变形较大；初次采动影响时工作面辅运巷道顶板松动圈为0～3m范围，底鼓较明显，重复采动影响回风巷道顶板松动圈范围为0～8m，底鼓量增大；且顶板裂隙中有水喷出，底板有积水；基于以上现场观测情况对回风巷道顶底板变形较大的原因作了初步分析。

(2)基于弹性力学基本理论分析了围岩松动圈成因，并分析了巷道断面大小、采动及水对围岩松动圈发育的影响，从而确定了重复采动顶板含水巷道顶底板变形较大的机理，并结合巴彦高勒煤矿条件进行了验证。

(3)针对顶底板变形机理，提出了相应的控制措施，在巴彦高勒煤矿应用效果显著。

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[责任编辑：王兴库]

Roof and Floor Deformation Principle and Controlling of Roadway with Aquifer Roof under Repeated Mining

ZHAO Shan-kun1，2，3

(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013 China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.Mechanics & Civil Engineering School，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：In order to solving the problems of roof and floor large deformation of air return way with roof aquifer under repeated mining of Bayangaole coal mine in Inner Mongolia，the reasons and influence elements of roadway loose circle formed were studied by filed testing and theory analysis，then principle and controlling method of large deformation in roadway floor were studied.The results showed that the abutment pressure acted on the chain pillar under first mining influence，the loose circle scope in roadway roof was small，regional floor heave appeared that induced by chain pillar stress released from roadway floor，but integral deformation of floor was small，under repeated mining，abutment pressure was large in roof，two sides stress released from the floor，loose circle scope in roof and floor increased obviously，coal strength decreased obviously as roof water when the loose circle developed into aquifer strata，then the loose circle scope in roof and floor increased future，the controlling method of anti roadway deformation was put forward，and filed testing results was obviously.

Key words：repeat mining；aquifer roof；roadway deformation；loose circle

[收稿日期]2015-11-05[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.017

[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226806);国家自然科学基金资助项目(51174112，51404140,51304117，51574150);煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室资助项目(2010DQ305023)

[作者简介]赵善坤(1982-)，男，辽宁葫芦岛人，博士研究生，助理研究员，主要从事煤矿安全及冲击地压防治相关技术与研究工作。

[中图分类号]TD322.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0063-05

[引用格式]赵善坤.重复采动下顶板含水巷道顶底板变形机理及控制[J].煤矿开采，2016，21(3)：63-67.

顶板具有含水层的回风巷道受重复采动影响巷道顶底板变形较大，对回采巷道顶板的稳定性、通风、运料、行人等产生了一定影响。