平煤八矿巷道空间应力分布规律的理论研究

刘冰夏

（中国平煤神马能源化工集团平煤股份八矿，河南平顶山467012）

平煤八矿巷道空间应力分布规律的理论研究

刘冰夏

（中国平煤神马能源化工集团平煤股份八矿，河南平顶山467012）

平煤八矿的区域瓦斯治理巷道设计钻孔施工量大、有效抽放长度短、抽放瓦斯浓度低、衰减快，明显影响煤层抽放效果。为了优化区域治理工程设计，本文以八矿巷区域防治资料为依据，采用数值模拟的方法，分析了单条巷道及两条巷道不同叠加状态的应力分布，并确定了八矿区域瓦斯治理工程中掩护巷应设计在垂直巷道距离10m以内的卸压区。

区域治理；采动工作面；理论分析；应力分布

随着矿井开采深度的增加，瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出危险性也不断增大，瓦斯已成为制约矿井安全生产和高产高效的主要因素［1］。为了杜绝煤与瓦斯突出事故的发生，八矿经过多年的实践和总结，将摸索出来的诸多瓦斯治理方法进行融合，形成了优化工作面设计、工作面分级管理、区域钻孔异常分析、前探钻孔瓦斯异常分析、区域效检参数汇总分析、局部效检参数汇总分析以及监测监控数据分析七个方面组成的八矿防突预警技术管理体系。其中工作面的优化设计，是瓦斯区域治理的基础［2］。

1　区域瓦斯治理巷道概况

八矿的工作面设计是通过对地质信息、煤层赋存、顶底板岩性、水文、瓦斯赋存情况，进行综合考量，设计工作面施工方案。但其区域瓦斯治理巷道设计经历了多个阶段，早期区域瓦斯治理巷多为高抽巷，且与煤巷距离较大，如己15-13330机巷外段高抽巷布置于机巷上方10m位置，与机巷中对中距离为30m，见图1所示。

图1　己15-13330机巷外段区域治理巷道示意图Fig.1 The outer section of roadway machine regional governanceof J 15-13330

由于区域治理巷道与煤巷中对中距离过大，导致钻孔施工工程量大，钻孔的有效抽放长度短，造成巷道的瓦斯抽放浓度低，衰减快，明显影响煤层抽放效果。因此需要研究巷道空间应力分布规律，确定八矿区域治理工程最优布置方案。

2　巷道空间应力分布规律

2.1单条巷道应力分布

图2　单巷道应力分布规律Fig.2The single aisle stress distribution diagram

从图2单巷道应力分布规律看出，随着沿水平方向垂直巷道距离的增大，最大主应力先快速增大，在距离为12m时到最大值，后逐渐减小，在距离为20m后，应力值基本稳定在33MPa；中间主应力快速增大，在距离为12m处达到最大值30MPa，而后保持该值不变；最小主应力缓慢增加，在距离为20m后，应力变化曲线逐渐平缓。可以看出：

第一，距离岩巷10m之内，三向地应力均降低，为卸压区。

第二，距离岩巷10～20m，沿巷道切线方向产生应力集中，为应力集中区域。

第三，在岩巷20m之外，三向应力都趋于原始状态，煤岩体受到巷道采动影响较小，为原始区域。

2.2两条巷道应力叠加——截面应力分布

分别研究平距为0m、5m、10m、20m、25m，垂距为5m、7m、8m、10m、15m、20m、25m条件下底板岩巷道和煤层巷道应力叠加状态。

图3　两条巷道应力叠加——截面应力分布Fig.3 Two roadways stress superposition——sectional stress distribution

图4　两条巷道应力叠加——掘进头应力分布Fig.4 Superimposed two roadways stress——stress distribution boring head

由图4可知：当两条巷道平距0m时，一方面，在距掘进头距离不变的情况下，两条巷道的垂距对垂直巷道的水平应力和垂直应力有明显的影响，随着垂距的增加，由5m到25m，垂直巷道的水平应力先迅速增大后缓慢减小，垂距为15m最大，而垂直巷道的垂直应力逐渐增大，其速率先增大后减小；另一方面，当两条巷道垂距确定时，垂直巷道的水平应力随着距掘进头距离的增大先迅速增大后慢慢减小并平缓下来，整个过程出现一个峰点，垂直巷道的水平应力峰点在距掘进头距离5m处，巷道间的垂距对其影响较小，而垂直巷道的垂直应力峰点受巷道间垂距影响，在垂距为5m、7m、10 m和15m时，峰点在距掘进头距离为3m处，在垂距为20m、25m时，峰点在据掘进头距离为5m处。

当两条巷道平距20 m时，在距掘进头距离不变的情况下，两条巷道的垂距对垂直巷道的水平应力和垂直应力影响不明显，随着垂距的增加，由10m到 25m，垂直巷道的水平应力有增大趋势，而垂直巷道的垂直应力有减小趋势；当两条巷道垂距确定时，垂直巷道的水平应力和垂直应力与巷道间平距为0m时的变化规律基本一致，整个过程出现一个峰点，垂直巷道的水平应力与垂直应力峰点都在距掘进头距离5m处，巷道间的垂距对其影响较小，但是垂直巷道的水平应力和垂直应力数值整体小于平距为0m的情况。

在底板岩巷施工之后，不同空间距离条件下，煤巷掘进头应力分布差异较大，产生不同的突出危险性［3］。

2.3理论分析结果

图5　理论分析结果Fig.5 Theoretical analysis result

图5所示，在巷道绝对距离增大的过程中，小于10m的分段，巷道正前方最大应力小于最大主应力，有明显差距，但巷道正前方最大应力逐渐增大并迅速缩小与最大主应力的差距；在10～20m的分段，巷道正前方最大应力与最大主应力的差距最小，但随着巷道绝对距离的增加而缓慢减小；在大于20m的分段中，巷道正前方最大应力基本稳定在4 500MPa。上述情况可以得出：

第一，两条巷道绝对距离小于10m时，应力集中最小。

第二，绝对距离在10～20m时，应力集中比较大。

第三，绝对距离超过20m时，扰动逐渐不显著。

3　主要结论

上述研究得出八矿巷道空间应力分布规律，掩护巷与被掩护巷空间位置在10m以内为卸压区，为八矿瓦斯区域治理工程的设计提供了理论依据。将掩护巷设计在卸压区内，既保证两条巷道处于卸压区，又控制了区域钻孔施工量，保证了区域抽放效果。

［1］袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术［J］.中国煤炭，2010，36（6）：5-12.

［2］郭峰.平顶山矿区瓦斯防治对策研究［J］.矿业安全与环保，2014，（01）：95-98.

［3］罗超文，李海波，刘亚群.深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（7）：1418-1423.

Theoretical Research on Space Stress Distribution in Pingdingshan No.8 Coalmine

LIUBing-xia
（No.8 Mine ofChina Pingmei Shenma EnergyChemical Group,Pingdingshan 467012,China）

In terms of regional gas control in Pingdingshan No.8 coalmine,drilling construction is exorbitant,effective drainage length is short, gas drainage concentration is low,attenuation is quick,which influences gas drainage effect.In order to improve regional control design,based on the data of No.8 coalmine,this article uses numerical simulation method to analyze the space stress distribution in the single roadway and double roadways.The space stress distribution determines design ofthe shelter roadway in distressed zone around 10m.

Regional gas control;Miningworkingface;Theoretical research；Stress distribution

TD311

A

1674-8646（2015）09-0018-02

2015-05-28

刘冰夏（1987-），男，河南平顶山人，助理工程师，从事矿山安全研究。