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“三软”煤层综放回采巷道底板变形破坏实测研究1

朱术云，鞠远江
中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州（221116）
E-mail：[e-mail]
摘要：通过对郑州矿区超化煤矿22121（东）综放工作面上下巷道钻场所布置钻孔的应变
实测，得出了“三软”煤层巷道底板采动变形破坏的深度、层位及其受采动煤壁前方应力峰值
的宽度和影响的范围，受超前应力集中的影响，下巷的变形破坏深度和程度均大于上巷。揭
示了在正常采动情况下厚的软煤和软底对应力和变形的传播具有一定的缓冲作用，发现了主

采煤层底板中段灰岩组（L7-8灰）对应力分布和变形破坏起到了重要控制作用。这为豫西煤
炭资源向深部带压开采所引起的底板水防治提供了重要参考的依据。
关键词：“三软”煤层；综放；采动巷道底板；应变实测；变形破坏
中图分类号：TD323

1.引言
从力学的角度来看，采矿过程引起一系列围岩应力的重新分配，是围岩应力场的一个动
态平衡与变化过程[1-4]。在这一过程中，底板岩体的应力状态也处于不断的调整，并产生相
应的位移、变形直至破坏[5-7]。因此，对于采动底板变形、破坏规律及突水条件研究，必须
要了解采动底板的应力场、应变场特征。通过原位实测底板采动过程的应力和应变的变化规
律是揭示底板采动变形破坏的应力条件的最有效方法。应变是用来度量变形程度的量，其值
大小反映底板岩体破坏程度和变形强弱。随着工作面推进→顶板悬空→顶板垮落，则底板变
形出现压缩→膨胀→再压缩的变化过程。当底板岩体裂隙或原生节理在应力场的作用下沿其
结构面产生移动时，通过埋设在钻孔不同深度处应变传感器的监测值可反映出煤层底板采动
移动或变形破坏的程度，并通过相关曲线可计算出煤壁前方应力集中影响的范围。以往的研
究中，很多人采用不同的方法对华北一些矿区采动底板变形破坏规律进行了不同角度的研
究，并取得了大量的研究成果[8-16]。但对郑州矿区软顶、厚的软煤和软底这样的“三软”煤层
在采动过程中底板变形破坏规律的研究相对较少，而这一问题的研究对豫西煤炭资源的开采
无疑具有重要的理论和现实意义。为此，结合项目在郑州矿区东部超化矿井中选取22121(东)
典型综放工作面上、下巷进行采动底板变形破坏的应变实测，来进一步研究采动底板的变形
破坏影响范围的深度及其差异性，以便为理论计算与数值模拟提供必要的相关参数并和其相
[17-19]
应结果进行综合对比分析，从而为郑州矿区主采煤层二1煤向深部安全开采提供必要的
参考依据。

2.22121(东)工作面基本概况及其钻孔设计参数

22121（东）工作面位于矿井-100水平22采区，地面标高+190~+221m，工作面标高
-186~-263m。该工作面北部为22101工作面及22101（西）采空区，南部为22141工作面，
东部为22下山保护煤柱，西部为22121（西）采空区。工作面走向长620.0m，倾斜长
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93.0~106.0m，平均101.0m，面积62620.0m。二1煤层赋存厚度变化较大，厚度4.0~17.0m，
平均10.0m；煤层倾角变化较大，表现东部陡西部缓，在10°~29°之间，平均17°。经过井下
实地观察，煤层破碎、松软，容易产生煤尘。工作面构造复杂，煤层整体上呈现单斜形态，

1本课题得到教育部高校博士点基金（新教师基金）项目（编号：20070290528）的资助。

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掘进巷道时揭露了18条断层，其中F15为逆断层，其余为正断层。受构造影响，煤层底板
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起伏较大。工作面直接充水水源为L7-8灰岩水，预计正常涌水量229.8m/h，最大涌水量
298.7m3/h。
根据相关计算公式，该面的钻孔设计计算主要参数见表1

表1超化矿22121（东）工作面底板破坏深度观测孔设计技术参数
技术参数下副巷上副巷
开孔直径（mm）/深度（m）146/6.0146/6.0
孔口管直径（mm）/长度（m）127/6.0127/6.0
终孔直径（mm）108108
孔深（m）34.5245.28
钻孔方位20°200°

钻孔倾角（°）-50°-50°
与巷道夹角（°）90°90°
伸进工作面水平距离（m）22.1929.10
控制底板最大真厚度（m）31.0031.00

3.传感器布置与观测要求
用于这次底板采动影响破坏深度的应变传感器是与中国地质科学院工程地质力学研究
所专门合作研制的（图1），该传感器在结构上具有测试到读数时表示正常工作，而测试不
到读数时就表示被破坏的功能。对矿井回采工作面下巷钻场所打的测试钻孔看，不能观测到
读数有两种可能，一种可能是钻孔内的传感器因采动导致结构给破坏了；另