東曲礦12614工作面的動(dòng)壓巷道受力與變形特征分析

尚世敏(西山煤電集團(tuán) 東曲礦，山西 太原 030050)

東曲礦12614工作面的動(dòng)壓巷道受力與變形特征分析

尚世敏
(西山煤電集團(tuán) 東曲礦，山西 太原 030050)

通過(guò)分析不同階段巷道動(dòng)壓的誘因及破壞變形特征表明：留巷掘進(jìn)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(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)再次受到擾動(dòng)。并針對(duì)12614工作面的動(dòng)壓情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了煤柱支承壓力分布曲線(xiàn)，對(duì)巷道的支護(hù)和管理提供了理論依據(jù)。

留巷；動(dòng)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(biāo)高1 239～1 450 m，工作面標(biāo)高為968～123 m. 該工作面北部為2#煤輔助運(yùn)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(kāi)采，因此該工作面不會(huì)受到下部煤層回采的影響。

2 巷道動(dòng)壓誘因分析

受到動(dòng)壓破壞的巷道類(lèi)型有多種，有礦井大巷、采區(qū)準(zhǔn)備巷道及工作面回采巷道等。對(duì)于回采巷道受到強(qiáng)烈采動(dòng)影響的類(lèi)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(dòng)影響的強(qiáng)烈程度并不完全相同，且作用機(jī)理也有很大差別[1,2]. 隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，沿回采工作面推進(jìn)方向，伴隨工作面推進(jìn)距離以及推進(jìn)時(shí)間，回采空間兩側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。受相鄰工作面回采、巷道掘進(jìn)和本工作面回采影響，煤柱和實(shí)體煤上方往往賦存著較大的動(dòng)態(tài)支承壓力，這些高集中應(yīng)力是巷道產(chǎn)生動(dòng)壓現(xiàn)象的誘因，見(jiàn)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(hù)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(guò)程分析

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

3.1留巷掘進(jìn)期

回采工作面采用寬煤柱護(hù)巷方式，由于煤柱寬度大，留巷掘進(jìn)基本依然沿原巖應(yīng)力狀態(tài)開(kāi)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(hù)等。留巷掘進(jìn)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(gè)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(jìn)，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(hù)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(duì)留巷的變形破壞作用有限，巷道變形與破壞保持在掘進(jìn)期間的水平。

伴隨著工作面推過(guò)，留巷逐漸滯后于相鄰工作面煤壁，進(jìn)入了采空區(qū)范圍。工作面推進(jìn)過(guò)程，其側(cè)向形成了類(lèi)似沿其走向形成的結(jié)構(gòu)[4-7]，見(jiàn)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(jìn)，該結(jié)構(gòu)始終處于動(dòng)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(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力擴(kuò)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(dòng)，因而留巷變形長(zhǎng)期達(dá)不到穩(wěn)定，呈現(xiàn)長(zhǎng)期持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 回采工作面護(hù)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(kāi)采完畢后，本工作面開(kāi)始回采，隨著工作面推進(jìn)，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(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)再次受到擾動(dòng)，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(dòng)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(huì)受到較大影響，留巷變形也會(huì)持續(xù)加大[8-10].

4 動(dòng)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(shí)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(huì)受到相鄰12612工作面回采動(dòng)壓的影響，巷道將承受巨大的動(dòng)態(tài)支承壓力影響，支護(hù)困難。采用大型FLAC3D數(shù)值軟件，分析12614皮帶巷在整個(gè)使用期間巷道圍巖的受力變形特征，為合理選擇支護(hù)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(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖3. 根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，所測(cè)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(jì)算可得垂直主應(yīng)力選取為：σv=9.03 MPa. 在建模過(guò)程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)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(gè)坐標(biāo)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(diǎn)在于分析12614工作面在受到相鄰工作面回采動(dòng)壓影響時(shí)巷道的變形狀況，分析工作面回采過(guò)程產(chǎn)生的支承壓力對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布的影響。模擬的目的在于為支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，因此在計(jì)算的過(guò)程中分析了采用不同支護(hù)方案下巷道的變形狀況，以選擇最合理的支護(hù)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(xiàn)見(jiàn)圖4，圖5.

圖4 沿走向煤柱中央支承壓力分布曲線(xiàn)圖

圖5 沿傾向煤柱中央支承壓力分布曲線(xiàn)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(shuō)明相鄰工作面回采超前階段，對(duì)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(jìn)期間的水平。

2) 伴隨著工作面推進(jìn)，留巷進(jìn)入相鄰工作面采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)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(shì)，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(guò)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(dá)到了43.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)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(jiàn)，工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力對(duì)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(chǎng)應(yīng)用

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

通過(guò)對(duì)留巷變形破壞過(guò)程的分析和數(shù)值模擬得出的結(jié)論，對(duì)12614工作面及其周?chē)锏来嬖诘膯?wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)對(duì)錨桿錨索預(yù)應(yīng)力的重視，同時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)了巷道兩幫的支護(hù)，減少巷道兩幫的變形以及由巷道兩幫變形引起的底鼓問(wèn)題，并對(duì)工作面回采對(duì)于留巷采空段產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力進(jìn)行控制，縮短滯后距離。改進(jìn)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(shí)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程，達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間也很長(zhǎng)。

2) 加強(qiáng)動(dòng)壓巷道兩幫的支護(hù)，比如加大錨桿的長(zhǎng)度、補(bǔ)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。

[1] 王德璋，李俊杰.動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(4):40-41.

[2] 康紅普.深部煤礦應(yīng)力分布特征及巷道圍巖控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(9):12-17．

[3] 高 峰,李純寶,張樹(shù)祥.復(fù)合頂板巷道變形破壞特征與錨桿支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(8):23-25,34.

[4] 華心祝.我國(guó)沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006,34(12):78-81.

[5] 薛吉?jiǎng)伲盗④?，毛德兵．采?dòng)影響下底板巷道圍巖變形觀(guān)測(cè)與分析[J]．煤礦開(kāi)采，2012，17(1):105-107．

[6] 申佳嘯,楊雙鎖,宋朝部，等.二次采動(dòng)影響期間沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].煤礦安全,2013,44(8),204-206.

[7] 劉宗亮，涂 敏，彭永貴，等．孤島工作面圍巖巷道變形觀(guān)測(cè)分析[J]．煤礦開(kāi)采，2011，16(5):83-85．

[8] 張立武.大斷面沿空留巷工作面初采礦壓觀(guān)測(cè)研究[J].煤炭工程,2012(10):105-107.

[9] 薛吉?jiǎng)?，范志忠，黃志增．極近距離煤層采空區(qū)下工作面兩巷合理位置確定[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(4):27-31．

[10] 黃艷利,張吉雄,巨 峰.巷旁充填沿空留巷技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(5):515-520.

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(yàn)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

B

1672-0652(2017)10-0020-03