特厚煤层中掘进巷道过联络巷期间巷道围岩活动规律研究∗

史庆稳(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013)



特厚煤层中掘进巷道过联络巷期间巷道围岩活动规律研究∗

史庆稳
(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013)

摘 要针对陕西某矿掘进巷道过联络巷期间发生的矿压异常现象,基于现场异常矿压观测情况,利用FLAC3D有限差分软件对特厚煤层中掘进巷道穿联络巷过程中不同时期巷道围岩应力分布演化特征进行了数值计算分析,并结合SOS微震监测结果对巷道围岩微震活动过程进行了研究。结果表明,在特厚煤层中掘进巷道穿联络巷过程中穿联络巷的巷道围岩冲击危险性呈现“升高—降低—升高—降低”的演化规律,并据此将巷道围岩应力分布演化过程近似划分为5个具有不同应力特点的阶段。

关键词特厚煤层 掘进巷道 联络巷 冲击危险性 数值计算 微震监测

陕西某矿井在开拓过程中,迫于矿井复杂的地质条件不可避免地在平行巷道间布置了诸多联络巷用于通风、运料、行人等,因而在矿井的掘进或生产过程中过联络巷成为矿井的常态。根据矿山压力理论,巷道开挖完成后将在巷道的两侧形成一定宽度的侧向支承压力分布区和小范围的巷道卸压区,从而使得联络巷围岩应力分布趋于复杂,而巷道交叉处围岩应力高度集中进一步导致局部静载荷水平升高,过薄的底板煤层导致底板抗冲能力较弱,掘进工作面的施工也会对巷道围岩产生持续的动力扰动,这些不利因素的累加将使该矿井的联络巷巷道围岩冲击危险性大为增加,故而掌握掘进巷道过联巷时围岩活动规律对于防治冲击地压、保障矿井安全生产具有重大意义。基于此,本文针对该矿中央一号辅运大巷过4＃联络巷期间的矿压异常现象,对特厚煤层中掘进巷道过联络巷期间的围岩活动规律进行模拟分析及微震监测研究。

1　工程背景

陕西某矿主采煤层经鉴定具有强冲击倾向性,矿井开拓大巷共布置5条巷道,均为全煤巷道。在中央带式输送机大巷和中央一号回风大巷约1380 m处、两大巷之间设置有4＃联络巷,该联络巷处煤层厚度约为25m,埋深650～680m,断面设计为与大巷断面相同的直墙拱形,巷宽5.5m,直墙高度1.8m。2015年7月,中央一号辅运大巷按计划掘进至4＃联络巷附近,根据矿井实测资料,中央一号辅运大巷与4＃联络巷交叉处仅留有不足4 m的间隔煤柱,如图1所示。

图1　中央一号辅运大巷与4＃联络巷相对位置关系

2　过巷期间围岩应力演化数值模拟分析

为考察中央一号辅运大巷穿4＃联络巷期间巷道围岩应力分布演化规律,采用FLAC3D有限差分软件对中央一号辅运大巷掘进过程中不同时期巷道围岩应力分布特征进行数值计算分析。

2.1计算模型

为使模拟结果贴合现场实际情况,计算模型各物理力学参数均参考煤岩体实验室试验结果和地应力实测结果进行赋值,模型中水平应力设置为垂直应力的1.5倍,方向垂直于中央一号辅运大巷。模拟巷道埋深为670m,由于模拟分析的对象为巷道不同空间关系对巷道围岩应力分布的影响,故可将巷道支护及巷道断面形状视为次要条件,在模型中不对巷道做支护处理并将巷道取为矩形,巷宽6m,巷高5 m。模型采用的各物理力学参数见表1。

计算模型采用摩尔－库伦(Mohr－Coulomb)本构模型,模型侧面边界限制水平移动,底面边界限制垂直移动;模型尺寸为120m×50m×65m(长×宽×高),采用不等分划分,巷道浅部围岩网格加密,整个模型共划分为443772个计算单元。

2.2模拟方案

模拟将贯穿掘进工作面靠近4＃联络巷并从其底板煤层穿过的全过程,着重分析中央一号辅运大巷掘进工作面围岩及4＃联络巷围岩垂直应力的演化规律及其对围岩冲击危险性的影响。在计算模型中,先模拟恢复大巷围岩初始地应力状态,然后依次进行开挖,实现当中央一号辅运大巷掘进工作面距离4＃联络巷55m、50m等不同距离并最终逐渐穿过、远离4＃联络巷(以下简称联巷)时巷道围岩应力分布状态。

表1　模型岩性参数

2.3数值模拟结果及分析

中央一号辅运大巷穿联巷的模拟计算过程中,巷道围岩应力分布各阶段呈现出不同的特点,根据这些特点可近似将该过程划分为5个阶段:东侧无联巷影响阶段、联巷东侧压力区作用阶段、联巷卸压区作用阶段、联巷西侧压力区作用阶段、西侧无联巷影响阶段。

2.3.1东侧无联巷影响阶段

数值计算结果显示,当中央一号辅运大巷距离4＃联巷55m时,两条巷道支承压力区尚未叠加,两巷之间存在一定范围的原岩应力区,此时即为东侧无联巷影响阶段,该阶段中央一号辅运大巷掘进工作面前方最大应力集中系数约为1.22。此外,联巷的开挖导致联巷底板出现了以联络巷为对称轴的卸压区域。

2.3.2联巷东侧压力区作用阶段

当中央一号辅运大巷继续掘进时,掘进工作面超前支承压力区随之前移,并逐渐与4＃联络巷东侧侧向支承压力区叠加,该过程称为联巷东侧压力区作用阶段。根据计算结果,当中央一号辅运大巷与4＃联络巷距离小于约50m后,由于支承压力作用区相互叠加,两巷间的原岩应力区消失,掘进工作面前方支承压力峰值随之上升导致该范围内冲击危险性大幅上升。

2.3.3联巷卸压区作用阶段

4＃联络巷开挖完成后,将在巷道底板一定深度内形成塑性区,由于塑性区煤体承载力微弱,当掘进工作面前方支承压力作用到该塑性区范围内时必然会导致支承压力向塑性区外转移从而使掘进工作面前方区域得到大幅度的卸压,该阶段即为联巷卸压区作用阶段。

对该阶段巷道围岩垂直应力演化过程进行分析后发现,在该矿地质条件下,当中央一号辅运大巷与4＃联络巷距离小于10～15m后,辅运大巷掘进工作面超前支承压力迅速降低;而当辅运大巷掘进工作面推进至4＃联络巷东侧边缘的正下方时掘进工作面超前支承压力作用区完全位于4＃联络巷卸压区的作用范围内,辅运大巷超前支承压力受到更大程度的疏散;随着掘进工作面的持续推进,辅运大巷超前支承压力区部分地离开4＃联络巷卸压区,掘进工作面超前支承压力区再次显现,其超前支承压力区最大应力集中系数约为1.09,依然处于较低的水平;当辅运大巷推进至超前4＃联络巷约5 m的位置时掘进工作面已基本离开4＃联巷卸压区,其超前支承压力区最大应力集中系数约为1.28,接近无联巷影响时的应力集中水平。可见联巷卸压区作用阶段辅运大巷掘进工作面超前支承压力大小近似以4＃联络巷为对称轴呈现出对称变化的过程,先减小直至支承压力形态完全消失,然后再逐渐增大直至恢复到无联巷影响时的应力集中水平。数值计算还发现,辅运大巷开完后在巷道顶板煤层形成了明显的卸压区,导致上方的联络巷区域发生冲击地压的可能性大大降低。

2.3.4联巷西侧压力区作用阶段

当中央一号辅运大巷穿过4＃联络巷卸压区后将进入联巷西侧的侧向支承压力作用区,从而在联巷西侧再次形成应力集中区域,即为联巷西侧压力区作用阶段。

根据计算结果,当中央一号辅运大巷掘至超前4＃联络巷5～10m时,掘进工作面前方支承压力峰值迅速上升并在两巷相距10m时达到25.2MPa的极值。此后,随着辅运大巷渐渐掘离联络巷,掘进工作面前方支承压力即开始缓慢回落。

两巷距离大于20～25m后,中央一号辅运大巷掘进工作面超前支承压力已渐渐稳定在22～2MPa,掘进工作面逐渐进入联络巷西侧的原岩应力区,即为西侧无联巷影响阶段。

3　过巷期间微震活动特征分析

微震是岩体破裂的萌生、发展、贯通等失稳过程的动力现象。微震监测法就是采用微震网络进行实时监测,通过提供震源位置和发生时间来确定微震事件,并计算释放的能量,进而统计微震活动的强弱和频率最终实现冲击危险性评价和预警。

图2是中央一号辅运大巷过联巷前后巷道围岩微震时序分布。在7月11日－8月19日的时间区间内,巷道围岩微震事件日震动能量近似以8月4日为轴呈现对称分布的特点,结合中央一号辅运大巷相对4＃联络巷距离变化可以发现巷道围岩微震事件时序演化过程同样可以近似划分为5个阶段,即东侧无联巷影响阶段(A)、联巷东侧压力区作用阶段(B)、联巷卸压区作用阶段(C)、联巷西侧压力区作用阶段(D)、西侧无联巷影响阶段(E)。

由图2可以看出,当掘进工作面与4＃联络巷的距离保持在约50m以上时为东侧无联巷影响阶段,两巷支承压力尚未相互作用,微震日震动能量不超过105J;7月25日－8月2日随着掘进工作面超前支承压力逐渐与联络巷东侧侧向支承压力叠加,日震动能量整体在震荡中不断走高,该阶段为联巷东侧压力区作用阶段;掘进工作面逐渐进入4＃联络巷卸压区时即为联巷卸压区作用阶段,应力集中程度较之前有所缓解,微震日震动能量和频次均显著下降;联巷西侧压力区作用阶段掘进工作面超前支承压力推移进入联络巷西侧侧向支承压力分布区,两者压力峰值再次叠加导致微震事件日震动能量急剧增加,8月6日两峰值叠加程度最为严重并使微震日震动能量达到最大值;8月10日－8 月13日为西侧无联巷影响阶段,该阶段由于掘进工作面超前支承压力渐渐远离4＃联络巷西侧侧向支承压力的影响区域,应力集中程度趋缓,导致微震事件日震动能量大幅降低至与7月份近似相同的水平。

图2　中央一号辅运大巷掘进工作面围岩微震时序分布

4　结论

(1)利用FLAC3D模拟分析了在特厚煤层中掘进巷道过联巷过程中巷道围岩应力分布的演化规律,并根据该过程中围岩应力分布所呈现出的不同特点将其划分为东侧无联巷影响阶段、联巷东侧压力区作用阶段、联巷卸压区作用阶段、联巷西侧压力区作用阶段、西侧无联巷影响阶段等5个典型的阶段,并分析了各阶段巷道围岩应力分布特点。

(2)数值计算结果表明,掘进巷道的开挖将在巷道顶板也即联络巷所在层位形成长度与掘进巷道开挖长度相当的卸压区,该卸压区的存在可使联络巷围岩局部应力得到疏散,从一定程度上有利于降低局部围岩的冲击危险性。

(3)利用微震监测系统监测分析了特厚煤层中掘进巷道穿联络巷时巷道围岩微震活动时序分布规律,分析结果显示,在该过程中巷道围岩微震活动规律与应力分布演化规律基本一致,即随着掘进巷道和联络巷空间位置的变化,巷道围岩冲击危险性呈现为升高—降低—升高—降低的规律。

参考文献:

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(责任编辑张毅玲)

Studyonmovinglawofroadwaysurroundingrocksduringextraction roadwaygoingacrossconnectingslotinextremelythickcoalseam

ShiQingwen
(CoalMining& DesigningBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Chaoyang,Beijing100013,China)

AbstractInviewoftheabnormalrockpressuresduringextractionroadwaygoingacross connectingslotinacoalmineinShaanxiprovince,andbasedonobservationconditionsofthe fieldrockpressure,thedistributionandevolutionarycharacteristicsofstressesinroadwaysurroundingrocksindifferentperiodsduringextractionroadwaygoingacrossconnectingslotinextremelythickcoalseamwereanalyzedandcalculatedbyfinitedifferencesoftwareFLAC3D,and microseismactivitieswerestudiedbycombiningwiththemonitoringresultsofSOSmicroseism system.Theresultsshowedthattheriskofrockburstinroadwaysurroundingrockswascharacterizedbyanup-down-up-downevolutionlawduringextractionroadwaygoingacrossconnecting slotinextremelythickcoalseam,andaccordingtothecharacteristics,thedistributionandevolutionaryprocessofstressesinroadwaysurroundingrockscouldbedividedinto5stageswhichhad differentstressescharacteristics.

Keywordsextremelythickcoalseam,extractionroadway,connectingslot,rockburst risk,numericalcalculation,microseism monitoring

中图分类号TD353

文献标识码A

基金项目:∗国家自然科学基金资助项目(51204097),天地科技技术创新基金项目(KJ－2015－TDKC－11)

作者简介:史庆稳(1989－),山东鄄城人,硕士研究生,主要从事煤矿冲击地压理论与防治技术的研究。