采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究

贺淼鑫

（晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿二号井，山西 晋城 048006）

近距离煤层开采时煤层间巷道掘进与工作面开采相互影响和干扰较为严重。在实际生产中，上覆采空区内煤柱处产生的应力升高导致其下方的巷道围岩垂直应力显著增大，巷道稳定性难以控制。尽管采空区下方巷道围岩应力较小，但上覆层的开采导致下方煤层巷道顶板松软破碎，巷道难以支护。在生产中，下层煤中的巷道布置欠佳，或者支护强度低，会导致巷道围岩变形收敛和塑性破坏区较大，造成巷道失稳，这是近距离煤层下行开采时制约生产安全的突出问题[1-2]。因此，近距离煤层开采时，下层煤矿压分布规律及巷道稳定性控制的研究具有重要的理论及现实意义。

1 概况

1.1 生产和地质条件

寺河二号井主采煤层有3 层，从上至下依次为3 号、9 号和15 号煤层。其中3 号和9 号煤层部分盘区已回采，而15 号煤层还未开采，目前正在布置15 号煤层工作面，15 号煤布置的第一个工作面上部的3 号和9 号煤已开采完毕。因此，15 号煤层必然受到上部采动压力和集中应力的干扰和影响，该煤层中巷道掘进中必然会产生大的变形，给围岩控制带来挑战。

位于太原组一段顶部的15 号煤层，埋深为329～419 m 之间，上距9 号煤层30 m 左右。煤层平均厚度1.5 m 左右，平均倾角为5°。煤层直接顶为石灰岩，厚9.8 m，为稳定岩层，顶板类型为Ⅲ类，下部偶见0.1～0.3 m 左右泥岩；煤层的直接底为灰色铝质泥岩，厚4.0 m。

1.2 地质力学测试分析

15 号煤地质力学参数测试结果表明，最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力分别为12.5 MPa、6.55 MPa 和7.72 MPa，最大水平主应力方向和主导方向分别为N62.90W 及NEE；15 号煤层顶板岩层强度平均值为112.10 MPa，局部含有平均强度48.90 MPa 的砂质泥岩，横向裂隙发育。测试数据表明，15 号煤层顶板岩层除局部存在较大裂隙的特征外，整体较完整；15 号煤两帮煤体裂隙发育，较破碎，该处煤体强度平均值为12.75 MPa。

2 采空区下部巷道围岩应力场分布特性研究

2.1 模型建立及模拟方案设计

基于寺河煤矿二号井三盘区15 号地质条件，采用数值模拟方法进行分析，研究该矿9 号煤遗留煤柱下15 号煤盘区大巷合理布置位置。

此处采用Flac 数值模拟，模型宽和高分别为185 m 和70 m。模型上部为应力边界，底部为固定边界，用均匀分布的应力载荷取代上覆岩层重力，模型四周施加水平位移约束。对地应力测试结果和模型厚度加以综合考虑后，确定施加的初始垂直应力值为7.0 MPa，水平应力值为9.0 MPa，计算模型选用摩尔-库伦模型。从上到下各岩层岩性如图1、图2。

图2 模拟方案（m）

2.2 模拟结果分析

工作面（9 号煤7 盘区）回采后垂直应力分布如图3。

图3 9 号煤7 盘区工作面回采后垂直应力分布云图

从图3 中可以看出，7 盘区工作面回采后，盘区大巷煤柱两侧支撑压力峰值处会形成“应力核区”，应力峰值和应力集中系数分别为17.4 MPa 和2.49。应力集中区在煤柱内呈现向底板传递的倾向，应力梯度区会在一定范围内形成。

3 盘区巷道围岩失稳破坏机理及控制方案

3.1 盘区巷道围岩失稳破坏机理

在巷道开挖后，煤柱下方的巷道围岩支承压力与上层煤柱所传递支承压力互相叠加，致使巷道围岩中垂直应力剧增。实践表明，位于该位置处的巷道围岩中垂直应力增高范围主要集中在巷道两帮及两肩处[3-5]，需加强两帮和巷道肩部的支护强度，避免巷道出现局部破坏，进而诱发整体失稳破坏。

由于上层煤采空区的卸压作用，采空区下方巷道两帮与两肩处所受支承压力相对较小，同时巷道开挖之后会在其顶板形成一定程度的水平应力升高趋势，由此巷道变形表现为两帮变形量微小，顶板下沉量显著的特点。上方煤层回采后，导致下层煤巷道围岩松软破碎，围岩裂隙显著增加，以顶板接近上覆煤层处最为显著。因此，增加巷道顶板支护强度，对于确保巷道围岩稳定性，降低巷道顶板围岩极限平衡区宽度极为重要。

3.2 盘区巷道支护设计方案

153101 盘区大巷设计断面为矩形，宽和高分别为5.0 m 和2.8 m，断面积14 m2。盘区巷道顶板采用型号MSGLW400、直径为20 mm 的锚杆，每排布置4 根长度为2.0 m 的锚杆，间、排距均为1400 mm，采用两支树脂锚固剂锚固，型号分别为MSK2335 和MSZ2360，配套使用高强锚杆螺母、尼龙垫圈、调心球垫及拱型高强度托板；锚杆间采用圆钢焊接的钢筋梯梁连锁，宽度为100 mm，长度为4.3 m，钢筋梯梁直径为12 mm。

顶板锚索为1×7 钢绞线，直径为15.24 mm，长度为5.3 m，抗拉强度为1860 MPa，延伸率3.5%。锚索排距4200 mm，每排2 根，采用MSK2335 型（一支）和MSZ2360 型两支树脂锚固剂锚固，预紧力大于150 kN，配套高强度托盘、锁具及调心球垫。

巷道两帮采用直径为20 mm、长2.0 m 的MSGLW400 型锚杆，每排设置3 根锚杆，间距1100 mm，排距1400 mm，一支MSZ2360 锚固剂锚固，锚固力不低于85 kN，扭矩不低于200 N·m；锚杆间采用钢筋梯梁连锁，梯梁由直径为12 mm 圆钢焊接，规格为2300 mm×1000 mm；护帮经纬网规格为1.2 m×4.6 m，用双股16#绑丝孔孔相连，其网孔规格为50 mm×50 mm。

巷帮底角锚索规格和结构同顶板锚索。锚索排距4200 mm，间距1800 mm，每排2 根，与水平面夹角20°。盘区大巷153101 支护设计断面图如图4。

图4 盘区大巷153101 支护设计断面图（mm）

4 矿压监测分析

4.1 锚杆受力监测

盘区大巷153101 巷道掘进及工作面开采时，现场监测的锚杆受力随距迎头距离的变化规律数据曲线如图5。

图5 153101 巷锚杆受力变化曲线

由图5 可以看出，巷道测站随远离迎头锚杆受力不断增大。由顶板锚杆受力变化曲线可知，顶板锚杆受力变化集中在距迎头87～191 m，增幅为30～35 kN，之后锚杆受力基本恒定不变。从图中还可看出，左帮锚杆受力变化大多大于顶板锚杆受力变化，巷道掘进完成后，初期一段时间锚杆受力仍有明显变化，增幅为40～50 kN。综合分析可知，盘区153101 巷在掘进期间锚杆受力变化较小，表明巷道受到的扰动较小。

4.2 锚索受力监测

在153101 巷掘进及工作面开采期间，锚索受力监测结果如图6。

图6 153101 巷锚索杆受力变化曲线

由图6 可以看出，153101 巷测站随远离迎头锚索受力不断增大，顶板锚索受力变化集中在距迎头30 m 范围，增幅为30～40 kN，之后锚索受力基本无变化。巷帮底角锚索受力变化大于顶板锚索受力变化，巷道掘进完成后初期一段时间锚索受力仍有明显变化，增幅为40～50 kN。

4.3 巷道位移监测

在工作面回采期间对153101 巷道表面位移变化进行监测，得到巷道表面位移变化曲线，如图7。

图7 153101 巷道100 m 处表面位移变化曲线

从图7 可以看出，巷道服务期间最大顶底板移近量为255 mm，占初始巷道高度的比例为5.1%，而其中顶板轻微下沉量仅为53 mm。据此可知，顶底板移近量多为底板鼓起所致，最大为202 mm。从图7 中可以发现，巷道两帮变形值最大为255 mm，为巷道初始宽度的5.1%。

5 结论

1）对巷道布置区域的地应力大小及方向进行测试，确定了应力场分布规律；并对巷道围岩进行了强度测试，为盘区巷道支护设计提供了基础参数。

2）采用数值模拟方法分析了采空区下部巷道围岩应力分布规律，分析了盘区巷道围岩上采空区下部和煤柱下部的围岩破坏特征，提出了采空区下盘区大巷支护方案。

3）矿压监测数据表明，盘区巷道回采期间顶板下沉量最大为53 mm，底鼓量最大为202 mm，两帮移近量最大为255 mm。锚杆锚索初始施加高预紧力后，锚杆受力有一定的变化，但是整体变化比较小，说明锚杆支护有效地控制了巷道围岩的变形，围岩保持整体完整。