近距离煤层采动对相邻巷道围岩应力及变形影响研究

桂 兵 曲延伦 郭现伟 杨 洋 秦 瑞 马传永

(兖州煤业股份有限公司，山东省邹城市，273500)

我国近距离煤层群分布范围广，其开采方法以下行开采为主。随着煤层间距减小，上下煤层间开采的相互影响会逐渐增大，特别是当煤层间距较小时，下部煤层开采前上覆岩层的完整性已受上部煤层开采破坏影响，其上方采空区为上部煤层开采垮落的矸石，且上部煤层开采后残留的区段煤柱在底板形成集中应力，加之下煤层巷道的采掘引起围岩应力重新分布，极易导致巷道变形大、煤壁片帮、底板底鼓，对工作面开采造成严重影响。

近年来，诸多专家学者对此进行了研究。朱涛等对极近距离煤层下煤层顶板结构与控制以及回采巷道矿压规律进行了研究；朱术云、孟祥瑞等采用弹性半平面体力学模型给出了采场底板岩层应力的解析解；张华磊等采用附加应力计算方法建立了采场底板应力分布的力学模型及采动支承压力传播的力学模型；闫淑缘等研究了深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征。基于此，本文采用FLAC3D有限差分数值模拟软件建立近距离煤层开采的三维数值模型，研究深部开采上煤层工作面采动应力底板传播规律，分析上煤层相邻工作面开采前后下煤层巷道围岩应力分布及变形特征，研究成果为深部矿井开采和巷道支护提供理论依据，对指导矿井的安全生产具有重要的现实意义。

1 工程地质概况

济宁三号井183下05工作面运输平巷所在煤层为山西组3下煤层，以暗煤为主，亮煤次之，夹有镜煤及丝炭条带，内生裂隙发育。煤厚2.30～5.54 m，平均厚度4.20 m，煤层倾角最大7°，平均3°。上方3上煤层厚0～4.1 m，平均厚度2.20 m。北部区域3上煤层与3下煤层间距13～30 m，平均21.5 m。煤层顶底板情况见表1。

表1 183下05工作面顶底板情况表

运输平巷位于工作面西侧，西侧3上煤层为183上07工作面(开拓中)。运输平巷北段位于上煤层183上06(北)采空区下方，向采空区内错距离为20 m，南段位于183上06(南)工作面(未开采)下方。

2 数值模型的建立和模拟方案

2.1 FLAC3D数值模型

利用FLAC3D数值模拟软件，根据现场实际情况进行建模与赋参。模型尺寸为1150 m×600 m×110 m(长×宽×高)，模型左右前后边界施加水平约束，使边界水平位移量为零；底部边界固定，使底部边界水平、垂直位移量均为零；采用摩尔—库伦模型，三维数值计算模型如图1所示。

2.2 数值模拟方案

为研究183上煤层工作面开采对下煤层卸压巷道围岩应力及变形的影响，根据现场实际开采情况，数值模拟方案分为两种：第一种，首先回采183上06(北)工作面，模拟分析一侧采空条件下底板垂直应力和水平应力分布规律；然后回采183上07工作面，模拟分析两侧采空条件下底板垂直应力和水平应力分布规律。第二种，在183上06(北)工作面采空区下掘进183下05工作面运输平巷，模拟分析一侧采空条件下巷道围岩应力分布及变形特征；然后回采183上07工作面，模拟分析两侧采空条件下巷道围岩分布及变形特征，综合对比分析3上煤层不同开采条件对下煤层巷道围岩应力分布及变形的影响规律。

图1 三维数值模型

3 上煤层采场应力分布及底板传播规律

3.1 巷道围岩垂直应力分布规律

上煤层垂直应力分布云图及变化曲线如图2所示。由图2可知，随着183上06(北)工作面开采，上覆岩层逐渐发生垮落，采场应力重新分布，在采空区四周煤体上形成侧向支承压力。此时在183上07工作面煤体上产生应力集中，应力峰值为45 MPa，应力峰值距离煤壁6 m。随着应力峰值向采空区转移，支承压力迅速降低，并在采空区煤壁边缘附近，支承压力降到最小值；随着向采空区深部转移，支承压力又逐渐增大，但低于原岩应力。侧向支承压力又通过煤体在底板煤岩体内传播，形成底板煤岩体的局部应力集中。183上07工作面开采后，工作面超前支承压力与侧向支承压力在工作面前方靠近采空区侧产生应力叠加，叠加应力通过煤层在底板内传播，造成底板岩层内局部应力集中。随着应力集中向底板岩层内转移，底板应力集中程度迅速降低，3上、3下煤层夹层内支承压力迅速降低，应力最大值约为40 MPa，距离煤壁5 m，向采空区转移过程中，垂直应力衰减速度相比上煤层明显减小。随着向采空区转移，3下煤层垂直应力衰减速度也进一步减小。

图2 上煤层垂直应力分布云图及变化曲线

3.2 巷道围岩水平应力分布规律

上煤层水平应力分布云图及变化曲线如图3所示。由图3可知，183上06(北)工作面开采后，在垂直应力作用下，183上07工作面煤体内同样出现水平应力集中现象，但进入采空区后，由于采空区矸石堆积，不传递水平作用力，水平应力完全卸压状态，随着采空区深部移动，水平应力在压实区又有所增加，但远远低于原岩应力(侧压系数0.74，水平原岩应力14.28 MPa)。随着向底板深部转移，在3上和3下煤层夹层内，水平应力未出现明显应力集中现象，但是随着向183上06(北)采空区移动，水平应力先降低后增大，在采空区下方未出现水平应力卸压，其值基本上和水平原岩应力相等。3下煤层的水平应力相比夹层内有所增大，随着向采空区转移，虽然出现减小和增大的波动，但是波动幅度比较小，最大值为14.8 MPa，距离煤壁约10 m。在183上06(北)采空区下方，3下煤层同样与水平原岩应力相等。3上煤层两侧采空后，3上煤层内的水平应力最大值明显增大，最大值约为30 MPa，进入183上06(北)采空区内，水平应力出现明显的卸压，远远低于原岩应力。随着向底板深部转移，水平应力明显减小，同样在采空区内水平应力未出现卸压现象，并且183上06(北)采空区下方3下煤层内水平应力为15 MPa，高于原岩应力，增大范围相对于一侧采空时也略增。

图3 上煤层水平应力分布云图及变化曲线

4 下煤层回采巷道围岩应力分布及变形规律

4.1 巷道围岩垂直应力分布规律

下煤层巷道围岩垂直应力分布云图及变化曲线如图4所示。由图4可以看出，183下05工作面运输平巷开挖后，在巷道两侧煤体内形成应力集中，巷道靠近183上07工作面帮侧支承压力峰值大于另外一帮，最大支承压力为27 MPa，且受183上07工作面底板传播应力影响严重。巷道采空区侧帮部侧向支承压力明显降低，最大支承压力为22 MPa，应力集中系数仅1.14，基本上不受183上07工作面底板传播应力的影响。

183上07工作面开采后，3上煤层开采范围增大，上覆岩层充分垮落，183下05工作面运输平巷基本位于倾向采空区中部，上覆垮落岩层已经压实，巷道围岩处于原岩应力状态，埋深大，因此两帮应力集中程度高。此时，巷道靠近3上07工作面一侧最大支承压力为32 MPa，183上06(北)采空区侧帮部侧最大支承压力为30 MPa，巷道帮部应力集中系数为1.6，明显大于一侧采空时巷道两帮的垂直应力。

4.2 巷道围岩水平应力分布规律

下煤层巷道围岩水平应力分布云图及变化曲线如图5所示。由图5可以看出，巷道开掘后，围岩水平应力重新分布，和开掘前水平应力分布明显不同，在巷道顶板和两侧煤体内水平应力集中现象更加明显。由于巷道顶板失去支撑，顶板出现下沉，在183上07工作面底板水平应力作用下加剧下沉，岩层内出现应力集中现象，而巷道两帮由于围岩采动应力的作用，煤体间产生水平挤压现象。183上07工作面侧巷道帮部水平应力最大值为15 MPa，采空区侧帮部水平应力最大值为14.6 MPa，巷道两帮水平应力集中最大值相差较小，183上07工作面侧巷道帮部水平应力略大于采空区侧。183上07工作面开采后，运输平巷位于采空区压实区下方，巷道上方两侧均为采空区，因此在巷道两帮形成基本对称的水平应力集中。巷道两帮水平应力最大值相等，均为15.6 MPa。

图4 下煤层巷道围岩垂直应力分布云图及变化曲线

图5 下煤层巷道围岩水平应力分布云图及变化曲线

4.3 巷道围岩变形规律

下煤层巷道围岩位移变化云图如图6所示。由图6可以看出，巷道开掘后，由于183上07工作面侧垂直应力明显大于巷道采空区侧帮部，造成工作面侧帮部煤体破坏严重，变形位移量大。183上07工作面侧平巷帮部最大变形位移为577 mm，采空区侧帮部最大变形位移为348 mm，183上07工作面侧帮部位移量明显大于采空区侧帮部。巷道沿底板掘进，顶板为煤层，顶板下沉量大。运输平巷道顶板最大下沉量为131 mm，底板底鼓量为84 mm，顶板下沉量大于底板底鼓量。183上07工作面采空区侧巷道帮部最大变形位移为437 mm，与一侧采空相比，183上07工作面采空区侧帮部增加了32%。183上06(北)采空区侧帮部最大变形位移为322 mm，183上06(北)采空区侧帮部仅增加了8%。巷道顶板最大下沉量为202 mm，底板底鼓量为138 mm，与一侧采空相比，顶板下沉量和巷道底鼓量均明显增大，主要是由于采空区上覆岩层垮落压实，巷道围岩处于原岩应力状态水平应力集中成度高。

图6 下煤层巷道围岩位移变化云图

5 结论

(1)上煤层一侧采空时，在采空区周围煤体上产生侧向支承压力，侧向支承压力通过煤体传递到底板岩层内，引起底板应力的重新分布，在局部区域出现应力集中现象。183上07工作面开采之后，工作面前方将产生超前支承压力，超前支承压力与183上06(北)采空区侧向支承压力在183上07工作面前方煤体靠近采空区侧产生应力叠加，叠加应力通过煤体传递到底板岩层内，上煤层底板中应力影响范围增大。

(2)上煤层一侧采空时，胶顺巷道围岩应力较低，基本不受底板应力传播影响。但由于水平应力大，在水平方向上对巷道产生挤压，导致底鼓量增加，顶板下沉量小。当上煤层工作面两侧采空后，受3上07工作面开采影响，下煤层回采巷道顶板应力集中程度增大，导致两帮变形量、顶板下沉量和底板底鼓量增大。

(3)通过对比分析，上煤层两侧采空后，相对于一侧采空，垂直应力和水平应力增大，应力通过煤层传播到底板岩层中，导致下煤层巷道的顶板下沉量和底板底鼓量增大，两帮变形量增大。