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        高抽巷圍巖應(yīng)力場特征及位置優(yōu)化

        2018-08-08 02:27:44邵廣印
        科技與創(chuàng)新 2018年15期
        關(guān)鍵詞:動壓應(yīng)力場瓦斯

        邵廣印

        (淮南礦業(yè)集團(tuán) 謝橋煤礦,安徽 阜陽 236221)

        淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦煤層瓦斯賦存量高,局部有突出危險(xiǎn)性。尤其是隨著開采深度和開采強(qiáng)度的不斷加大,瓦斯涌出量也逐漸增大[1]。因此,在回采巷道掘進(jìn)時(shí),往往需要布置相應(yīng)的高(底)抽巷掩護(hù)順槽掘進(jìn),在高(底)抽巷布置鉆場,向順槽方向布置抽采鉆孔,超前抽采瓦斯,待瓦斯?jié)舛冉档偷皆试S濃度后,再掘進(jìn)順槽,工作面一般為典型的一面四巷布置[2]。

        高抽巷作為沿空留巷Y型通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)巷道,除了受到掘進(jìn)期間的工程擾動外,還將承受工作面回采的強(qiáng)動壓影響[3],對比研究高抽巷圍巖采動前后的應(yīng)力場及高抽巷圍巖破壞特征,是進(jìn)一步研究動壓影響下高抽巷圍巖控制技術(shù)的基礎(chǔ)[4]。

        1 工程地質(zhì)概況

        謝橋礦某工作面煤層平均厚度1.20 m,工作面標(biāo)高-662.0~-636.5 m。煤層頂板和底板均為泥巖和砂質(zhì)泥巖。為解決瓦斯涌出量較大、防止煤與瓦斯突出等,工作面軌道順槽、運(yùn)輸順槽上方均布置高抽巷,平距為25 m,高抽巷外錯(cuò),法距為15~35 m,層位關(guān)系圖如圖1所示。

        圖1 巷道層位關(guān)系示意圖

        2 UDEC數(shù)值模擬

        采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立軌道順槽和軌道順槽高抽巷計(jì)算模型,考慮模型邊界效應(yīng)及計(jì)算效率,模型幾何尺寸選為高×寬=127 m×220 m,工作面實(shí)際長度為220 m,在模型中開挖107 m。

        根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果,在上邊界施加17.12 MPa應(yīng)力,模型左、右及下邊界巖面出現(xiàn)約束法向位移。

        2.1 掘進(jìn)期間巷道垂直應(yīng)力

        掘進(jìn)期間的巷道垂直應(yīng)力場如圖2所示。

        圖2 掘進(jìn)期間巷道垂直應(yīng)力場云圖

        圖3 回采期間巷道垂直應(yīng)力場云圖

        由圖2可知,在平距為25 m、法距為27 m的情況下,巷道掘進(jìn)期間高抽巷與軌道順槽的垂直應(yīng)力場沒有疊加形成應(yīng)力增高區(qū),避開了相互之間的開掘擾動,高抽巷回采側(cè)垂直應(yīng)力峰值達(dá)到27.8 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.51,非回采側(cè)垂直應(yīng)力峰值達(dá)到31 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.68,非回采側(cè)與回采側(cè)應(yīng)力分布基本相同,也說明高抽巷基本處于軌順開挖影響范圍之外,應(yīng)力顯著增加的區(qū)域在應(yīng)力峰值向外2 m,2~15 m區(qū)域應(yīng)力緩慢減小,在15 m以外進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)。

        2.2 回采期間巷道垂直應(yīng)力

        回采期間的巷道垂直應(yīng)力場如圖3所示。

        由圖3可知,在軌道順槽與軌道順槽高抽巷中間位置出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力集中達(dá)到44 MPa,此位置距離高抽巷底板約5 m,距離高抽巷回采側(cè)幫8 m,距離軌順頂板11.6 m,距離軌順非回采側(cè)幫12 m。同時(shí)在應(yīng)力集中區(qū)的左上角出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū),最小應(yīng)力達(dá)13 MPa,此區(qū)域面積約為22.3 m2,最小應(yīng)力值點(diǎn)和應(yīng)力集中最大值點(diǎn)基本處于同一高度,水平方向向左偏移4 m,距離高抽巷底板約5 m,距離高抽巷回采側(cè)幫12 m,距離軌順頂板11.6 m,距離軌順非回采側(cè)幫8 m。

        采動結(jié)束后,高抽巷兩幫最大應(yīng)力值達(dá)31 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)1.68,從應(yīng)力增量范圍和數(shù)值大小來看,回采側(cè)受到的采動影響大于非回采側(cè)。高抽巷回采側(cè)應(yīng)力增量最大值達(dá)5 MPa,峰值在距離巷幫8.5 m深的基巖內(nèi)。0~3 m范圍內(nèi),應(yīng)力增量波動;3~8.5 m深的范圍內(nèi),隨著深度的增加,應(yīng)力增量增大;8.5 m以深部基巖,應(yīng)力增量逐漸變小。非回采側(cè)應(yīng)力增量最大值達(dá)2.9 MPa,峰值在距離巷幫3 m深的基巖內(nèi),0~3 m范圍內(nèi),應(yīng)力隨深度的增加而增大,3 m以深部基巖,應(yīng)力增量隨深度增加而減小。

        3 巷道位置優(yōu)化

        采用UDEC數(shù)值模擬軟件,建立模型方法同上節(jié)。高抽巷的法距取為25 m,平距分別為0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m,考察高抽巷不同位置時(shí)巷道的塑性區(qū)。由于巷道頂板及兩幫有U型棚及錨索支護(hù),故塑性區(qū)較小,各方案的區(qū)別較小,因此著重對巷道的底板破壞進(jìn)行比較分析。模擬結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖4所示。

        由圖4可知,在巷道掘進(jìn)期間,高抽巷處于圖通位置時(shí),頂?shù)装?、兩幫移近量基本相同,說明高抽巷取不同的平距對巷道掘進(jìn)期間巷道的變形量并沒有明顯影響。巷道掘進(jìn)期間,隨著巷道平距的變大,巷道兩幫呈微弱的減小趨勢,均值為147 mm,頂?shù)装宄霈F(xiàn)微弱的變大趨勢,均值為356 mm,但趨勢都不明顯。

        在工作面回采期間,由于動壓影響,高抽巷取不同的平距,巷道的變形區(qū)別較大,隨著平距的增大,巷道變形基本呈顯著變小的趨勢?,F(xiàn)以平距為25 m的收斂量為基準(zhǔn)進(jìn)行分析,平距為20 m時(shí),頂?shù)滓平鼮榛鶞?zhǔn)的1.15倍,兩幫移近量為基準(zhǔn)的1.47倍,變形量與基準(zhǔn)相差不大;平距為10~15 m時(shí),巷道變形為基準(zhǔn)的1.5~1.8;平距為0~10 m時(shí),巷道變形為基準(zhǔn)的2倍以上。

        4 結(jié)論

        經(jīng)論述,得出以下2點(diǎn)結(jié)論:①平距∈[0 m,28 m]、法距∈[0 m,17 m]的大致矩形區(qū)域?yàn)閺?qiáng)動壓影響區(qū),高抽巷的布置應(yīng)該避開此區(qū)域;②工作面軌道順槽高抽巷的平距為25 m,法距為15~35 m,基本避開了強(qiáng)動壓影響區(qū),但法距為15~20 m的巷段處于強(qiáng)動壓影響區(qū)邊緣,因此在類似工程中可將法距調(diào)整為20~35 m。

        圖4 不同位置高抽巷變形比較

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