尚世敏(西山煤電集團 東曲礦，山西 太原 030050)

東曲礦12614工作面的動壓巷道受力與變形特征分析

尚世敏
(西山煤電集團 東曲礦，山西 太原 030050)

通過分析不同階段巷道動壓的誘因及破壞變形特征表明：留巷掘進期間巷道圍巖變形較小，表面位移可控制在100 mm以下；相鄰工作面回采期間留巷受力大，變形顯著；本工作面回采期間相鄰工作面留巷側(cè)形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)再次受到擾動。并針對12614工作面的動壓情況進行數(shù)值模擬，得出了煤柱支承壓力分布曲線，對巷道的支護和管理提供了理論依據(jù)。

留巷；動壓；變形特征；數(shù)值模擬

1 工作面概況

東曲礦12614工作面地面位于石佛塔東南方向，井下位于973水平六采區(qū)，地面標高1 239～1 450 m，工作面標高為968～123 m. 該工作面北部為2#煤輔助運輸巷，南部為采區(qū)邊界，北西部為12612工作面。目前，12612底抽巷和12612軌道巷已經(jīng)掘送完成，與本巷道的煤柱寬度分別為10 m和20 m左右，2#煤和4#煤層間距為13 m左右，2#煤下部的4#煤在本區(qū)域尚未開采，因此該工作面不會受到下部煤層回采的影響。

2 巷道動壓誘因分析

受到動壓破壞的巷道類型有多種，有礦井大巷、采區(qū)準備巷道及工作面回采巷道等。對于回采巷道受到強烈采動影響的類型，主要包括沿空留巷、沿空掘巷及寬煤柱留巷等，各種留巷受到采動影響的強烈程度并不完全相同，且作用機理也有很大差別[1,2]. 隨著回采工作面的不斷推進，沿回采工作面推進方向，伴隨工作面推進距離以及推進時間，回采空間兩側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力發(fā)生動態(tài)變化。受相鄰工作面回采、巷道掘進和本工作面回采影響，煤柱和實體煤上方往往賦存著較大的動態(tài)支承壓力，這些高集中應(yīng)力是巷道產(chǎn)生動壓現(xiàn)象的誘因，見圖1.

A—原始應(yīng)力區(qū) B—應(yīng)力增高區(qū) C—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)圖1 護巷煤柱在回采工作面前后方的應(yīng)力分布圖

3 留巷變形破壞過程分析

留巷使用時間相對較長，一般至少服務(wù)于兩個以上工作面，因而至少受到兩個以上回采工作面采動作用，巷道圍巖受高應(yīng)力作用時間長，變形持續(xù)時間長，且始終處于非穩(wěn)定狀態(tài)。留巷變形破壞經(jīng)歷3個階段：

3.1留巷掘進期

回采工作面采用寬煤柱護巷方式，由于煤柱寬度大，留巷掘進基本依然沿原巖應(yīng)力狀態(tài)開挖，留巷圍巖變形主要取決于地質(zhì)條件、圍巖屬性及巷道支護等。留巷掘進期間，巷道圍巖變形較小，表面位移一般能夠控制在100 mm以下[3].

3.2相鄰工作面回采期

留巷受力大，發(fā)生顯著變形，出現(xiàn)在相鄰工作面回采期間，一般劃分為2個階段：1) 工作面回采超前期。2) 工作面回采滯后期。

隨著工作面不斷向前推進，在工作面前方形成了超前支承壓力區(qū)，由于留巷存有較大的護巷煤柱，因而受到超前支承壓力的影響程度很小，相鄰工作面回采超前階段對留巷的變形破壞作用有限，巷道變形與破壞保持在掘進期間的水平。

伴隨著工作面推過，留巷逐漸滯后于相鄰工作面煤壁，進入了采空區(qū)范圍。工作面推進過程，其側(cè)向形成了類似沿其走向形成的結(jié)構(gòu)[4-7]，見圖2. 該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接決定著留巷的變形和破壞程度，隨著工作面推進，該結(jié)構(gòu)始終處于動態(tài)變化狀態(tài)，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)期，由于結(jié)構(gòu)發(fā)生運動引起的應(yīng)力擴散影響最大，留巷此期間受力最大；隨著結(jié)構(gòu)逐漸趨穩(wěn)，留巷受力有所減弱，但始終處于高集中應(yīng)力擾動，因而留巷變形長期達不到穩(wěn)定，呈現(xiàn)長期持續(xù)增長趨勢。

圖2 回采工作面護巷煤柱側(cè)圍巖結(jié)構(gòu)圖

3.3本工作面回采期

相鄰工作面開采完畢后，本工作面開始回采，隨著工作面推進，受到本工作面超前支承壓力的影響，相鄰工作面留巷側(cè)形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)再次受到擾動，可能再次發(fā)生失穩(wěn)狀態(tài)，因而留巷再次受到因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起的擾動作用而產(chǎn)生較大的變形，而且受到超前支承壓力的影響，留巷超前范圍也會受到較大影響，留巷變形也會持續(xù)加大[8-10].

4 動壓巷道變形特征數(shù)值模擬分析

六采區(qū)12614皮帶巷與相鄰12612工作面皮帶巷間隔30 m煤柱，同時12612底抽巷位于煤柱正下方的4#煤層中，2#煤和4#煤的垂直距離約為13 m. 12614皮帶巷服務(wù)期間將會受到相鄰12612工作面回采動壓的影響，巷道將承受巨大的動態(tài)支承壓力影響，支護困難。采用大型FLAC3D數(shù)值軟件，分析12614皮帶巷在整個使用期間巷道圍巖的受力變形特征，為合理選擇支護形式與參數(shù)提供依據(jù)。

4.1模型建立

根據(jù)12614工作面地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為320 000 mm×100 000 mm×60 000 mm，劃分為172 000節(jié)單元和184 184個節(jié)點，見圖3. 根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果可知，所測區(qū)域最大水平主應(yīng)力：σH=13.96 MPa，最小水平主應(yīng)力：σh=7.16 MPa，該區(qū)段巷道平均埋深為361 m，計算可得垂直主應(yīng)力選取為：σv=9.03 MPa. 在建模過程中嚴格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標系采用直角坐標系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標系符合右手螺旋法則。三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

圖3 數(shù)值模型圖

4.2模擬方案

此模擬的重點在于分析12614工作面在受到相鄰工作面回采動壓影響時巷道的變形狀況，分析工作面回采過程產(chǎn)生的支承壓力對巷道圍巖應(yīng)力分布的影響。模擬的目的在于為支護設(shè)計提供理論依據(jù)，因此在計算的過程中分析了采用不同支護方案下巷道的變形狀況，以選擇最合理的支護方案。

4.3模擬結(jié)果分析

煤柱支承壓力分布特征分析：

12612工作面和12614工作面間煤柱中央沿走向和傾向支承壓力分布曲線見圖4，圖5.

圖4 沿走向煤柱中央支承壓力分布曲線圖

圖5 沿傾向煤柱中央支承壓力分布曲線圖

由圖4,5可以看出：

1) 煤柱中央沿走向支承壓力呈現(xiàn)出了“后高前低”的狀態(tài)，說明相鄰工作面回采超前階段，對留巷的變形破壞作用有限，巷道變形與破壞基本能夠保持在掘進期間的水平。

2) 伴隨著工作面推進，留巷進入相鄰工作面采空區(qū)范圍不斷擴大，而滯后于回采工作面的煤柱中的支承壓力也呈逐漸升高的態(tài)勢，位于采空區(qū)的范圍越大，巷道圍巖承受的側(cè)壓越大。

3) 通過不同位置側(cè)向煤柱中支承壓力分布可以看出，在滯后工作面30 m位置處，采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力達到了43.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達到了4.78；工作面位置，傾向煤柱中的支承壓力為22.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.53；超前工作面30 m處，由于工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力的影響而在煤柱中產(chǎn)生的支承壓力僅為12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)僅為1.33，幾乎和原巖應(yīng)力相等同。由此可見，工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力對于留巷的影響主要是在采空段，而且滯后的距離越大，影響越大。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

分析東曲礦現(xiàn)有巷道支護設(shè)計，再結(jié)合井下實際調(diào)研結(jié)果，提出現(xiàn)有支護設(shè)計存在的問題。主要包括兩個方面：1) 錨桿錨索預(yù)應(yīng)力重視程度不夠。2) 支護形式較為單一。

通過對留巷變形破壞過程的分析和數(shù)值模擬得出的結(jié)論，對12614工作面及其周圍巷道存在的問題進行改進，加強對錨桿錨索預(yù)應(yīng)力的重視，同時重點加強了巷道兩幫的支護，減少巷道兩幫的變形以及由巷道兩幫變形引起的底鼓問題，并對工作面回采對于留巷采空段產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力進行控制，縮短滯后距離。改進后，有效減小了支承壓力的影響，保證了12614工作面的穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

1) 臨近回采工作面的巷道滯后工作面采空區(qū)時受到影響較大，而在回采工作面的超前階段，受到的影響較小，并且采空區(qū)上覆巖層的結(jié)構(gòu)處于動態(tài)變化過程，達到穩(wěn)定需要的時間也很長。

2) 加強動壓巷道兩幫的支護，比如加大錨桿的長度、補打錨索等方式，不僅可以有效控制巷道兩幫的變形，更重要的是可以減少由于巷道兩幫變形而引起的底板變形。

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AnalysisofForceandDeformationCharacteristicsofDynamicPressureRoadwayin12614WorkingFaceofDongquCoalMine

SHANGShimin

The research on deformation characteristics and causes by induced dynamic pressure in different stages show that, the deformation for roadway during tunneling along the goaf is quite small with the surface displacement below 100mm, while In the adjacent working face goaf stress and roadway deformation are remarkable due to mining. The relatively stable structure in adjacent working face will be challenged again during the mining in local face. Numerical simulation in 12614 working face is carried out for the data collection and distribution chart of coal pillar pressure, which provides a theoretical basis for the support and management of the tunnel.

Retained roadway; Dynamic pressure; Deformation characteristics; Numerical simulation

·試驗研究·

2017-07-03

尚世敏(1984—),男，山西古交人，2012年畢業(yè)于太原科技大學(xué)，助理工程師，主要從事礦山安全技術(shù)及管理工作(E-mail)2656755911@qq.om

TD323

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1672-0652(2017)10-0020-03