深部倾斜煤层巷道两帮应力特性的研究∗

刘建刚曹安业郁钟铭井广成刘洪洋

(1.贵州六盘水师范学院矿业工程系,贵州省六盘水,553004; 2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116; 3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

★煤炭科技·开拓与开采★

深部倾斜煤层巷道两帮应力特性的研究∗

刘建刚1曹安业2,3郁钟铭1井广成2,3刘洪洋1

(1.贵州六盘水师范学院矿业工程系,贵州省六盘水,553004; 2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116; 3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

以倾斜煤层为研究对象,运用理论计算和数值模拟,研究了煤层倾角和巷道形状的变化对巷道两帮应力特性的影响。研究表明：倾斜煤层的下帮应力高于上帮应力,下帮应力峰值区靠近顶板,上帮应力峰值区靠近底板。随煤层倾角增加,支承压力峰值与巷帮距离减小,但应力值增加;梯形巷道会使得上帮应力值减小,下帮支承压力峰值与巷帮距离减小。对于倾斜煤层巷道,应当加强巷道下帮支护和卸压,下帮应当将卸压孔施工在靠近顶板的位置,上帮应当将卸压孔施工在靠近底板的位置。通过钻屑法监测验证了上述研究结果的合理性。

倾斜煤层 煤层巷道 围岩应力 应力分布 数值模拟 冲击矿压

近几年,随着我国煤炭开采深度的增加,多个矿井开采深度已经达到或超过千米。我国大量深部矿井的煤层呈现倾斜分布状态。国内外的实践证明,倾斜煤层的围岩稳定性和围岩应力状态不同于水平煤层,倾斜煤层中巷道变形呈现非对称性变形,倾斜煤层巷道两帮应力存在差异。本文以深部倾斜煤层为基础,运用煤岩组合理论和数值模拟,研究随着煤层倾角和巷道形状的变化,巷道两帮应力的变化特征,并运用钻屑法对结论进行验证。根据倾斜煤层两帮的应力分布差异,为深部倾斜煤层的开采提供针对性防冲指导。

1 倾斜煤层巷道两帮应力特征分析

1.1 倾斜煤层应力特征

1.1.1 支承压力峰值位置

根据研究,如图1所示,在煤层中开挖一部分空间后,在巷道两帮位置形成应力集中,其中A区和B区为高应力区所在位置。A区和B区的高应力与帮部的距离可以按照应力极限平衡区宽度计算公式进行确定：

图1 倾斜煤层两帮应力状况

式中：x0——应力极限平衡区宽度;

m——煤层开采高度(巷道高度);

A——侧压系数;

φ0——组合煤岩体的内摩擦角;

k——压力升高系数;

γ——岩层平均容重;

H——煤层采深;

C0——煤层与顶底板岩层的粘聚力;

Px——支架对煤帮的支护阻力。

随着倾角增加,A、B区域的应力集中位置的煤岩性质发生改变,逐渐由煤层水平位置时的纯煤状态转换为有倾角时的煤岩组合体,直至煤层垂直时的纯岩体;根据组合煤岩样研究可知,组合煤岩体中随着岩石所占比重的增加,组合煤样的内摩擦角φ0、粘聚力C0不断变大,将巷道两帮简化为煤岩组合体,将所得结果带入应力极限平衡区宽度计算公式(1),可知随着煤层倾角的增加,高应力区与巷帮的距离不断减小。

不管煤层倾角如何变化,巷道两帮煤岩所占的比重是相同的,故其力学参数是相同的。虽然k1γH＞k2γH(下帮受到向下的压应力,故下帮应力大,在1.1.2节中有详细的说明),但是两者数值相差较小,故代入式(1)后对应力极限平衡区宽度的计算结果影响甚小,所以可以认为X1＝X2＝X0。

1.1.2 两帮应力值特征

随着倾角的增加,支承压力区煤岩性质发生改变,岩石所占比例将不断增加,煤的比例在减小。根据组合煤岩样研究得出,随着组合煤岩样中岩石比例的增加,抗压强度和冲击变形能将逐渐增加。因此随着煤层倾角的增加,巷道两帮能承受更大的应力,积聚更高的能量,两帮支承压力值增加。

由于倾斜煤层巷道开挖后,两帮表面均受到平行于巷帮的切应力作用。将切应力沿煤层方向和垂直于煤层方向进行分解,如图2所示,下帮在平行于煤体方向受到挤压作用,而上帮则受到一个拉伸作用,导致倾斜煤层下帮应力高峰值大于上帮的应力高峰值。

图2 倾斜煤层两帮应力分解

图3 倾斜煤层应力分布图

1.2 巷道形状对应力的影响分析

1.2.1 支承压力峰值位置

实际生产中,为了对顶板较为有效的支护,倾斜煤层常沿顶板掘进,巷道呈现梯形特征,如图3。根据极限平衡区计算式(1),虽k1γH＞k2γH,但是两者数值相差较小,对应力极限平衡区宽度的计算结果影响甚小。此时巷道两帮高度成主要影响因素,高应力区与巷帮的距离随着巷道高度的减小而减小,梯形巷道下帮高度小于上帮高度,因此下帮应力峰值位置与帮部距离较小;上帮应力峰值位置与帮部距离较大。

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.2.2 两帮应力值特征

如图4所示,倾斜煤层巷道常呈现梯形特征,底板位置留有部分未开挖煤层,此时下帮底部将受到一个水平方向的应力,使得原本的上下两帮应力差扩大。

图4 梯形巷道应力分布图

2 计算模型

2.1 模拟的基本条件

假定岩体服从摩尔-库仑破坏条件,根据摩尔-库仑准则建立采场平面应变模型,模型x方向长度85 m,y方向长度为40 m,z方向高度随着煤层倾角的变化而变化,所建模型埋深为800 m,模拟煤层厚度为5 m,巷道沿顶底板掘进。模拟要研究两个问题：模拟煤层倾角为0°、10°、20°、30°4种情况,研究倾角对巷道两帮应力的影响;模拟巷道菱形开挖和梯形开挖,研究巷道形状对两帮应力的影响。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 巷道两帮应力与煤层倾角的关系

不同倾角下应力的分布云图见图5。

图5 不同倾角下应力的分布云图

通过分析图5可知,煤层处于水平状态时,巷道两帮应力呈现对称分布;随着煤层倾角的不断增加,巷道开挖后,煤层中的应力逐渐呈现不对称性,下帮应力主要集中在煤层靠近顶板位置;上帮的应力则主要集中在煤层靠近底板的位置;巷道两侧高应力区距离巷道两帮近似相等。

峰值应力分布特征与煤层倾角的关系见图6,图6显示,随着倾角的增加,下帮高应力区应力峰值逐渐大于上帮,倾角越大两者差距越明显;随着煤层倾角的加大,高应力区峰值应力距离帮部由0°时的6.1 m变为30°时的4.9 m,距离减小;随着倾角的加大,上下两帮的高应力区应力峰值由0°时的不到27.6 MPa,增加到30°时的28.8 MPa。

图6 峰值应力分布特征与煤层倾角的关系

随着煤层倾角的增大,高应力区与巷帮距离均减小,但两帮应力均增加,且下帮应力逐渐大于上帮应力。

2.2.2 巷道形状对倾斜煤层应力的影响

菱形巷道形状的应力分布特征如图7所示,菱形巷道上下帮高应力区峰值应力在28 MPa附近,两者应力值相差很小。

图7 菱形巷道应力分布云图

梯形巷道的应力分布云图如图8所示,从梯形巷道上下两帮的高应力区可以看出,上帮高应力区的峰值应力与巷帮的距离为5 m,下帮仅仅3 m,上帮的高应力区与巷帮的距离大于下帮应力高应力区与巷帮的距离,下帮峰值应力为28 MPa,上帮应力峰值仅为26.5 MPa,梯形巷道使得上下两帮应力峰值差增加。

图8 梯形巷道的应力分布云图

3 现场监测与检验

根据钻屑理论,钻屑量的多少可以反映出煤体中应力的大小,钻孔过程中出现钻屑超标或者卡钻位置能够反应出高应力区与巷帮的距离。

张双楼煤矿7418工作面煤层倾角平均为23°,煤厚4 m,采用梯形巷道沿顶板掘进,掘进过程中在两帮均使用钻屑法进行两帮应力监测。实施钻屑监测的钻孔孔径为42 mm,深度为10 m,间距为5 m,上帮钻屑孔距离底板0.8 m,下帮钻屑孔距离顶板0.8。将两帮监测的钻屑值和出现钻粉超标或者卡钻情况进行统计,如图9所示。

图9 不同钻孔深度的钻屑量

从图9可以看出,下帮整体钻屑量值高于上帮钻屑量,说明下帮的应力值高于上帮应力;下帮出现钻粉超标或者卡钻的位置与巷帮的距离平均为5.63 m,而上帮则为7.56 m,说明下帮高应力区更加靠近巷帮。此结果验证了部分前面的理论分析和数值模拟。

4 倾斜煤层冲击矿压防治探讨

根据冲击矿压机理研究,冲击矿压的发生是由于支承压力区在煤体中形成弹性核,积聚能量,当能量积聚到一定程度,引起煤体的突然破坏,向外释放大量能量,最终导致冲击矿压的发生。为了防治冲击矿压,应将卸压孔施工在高应力区,使得弹性核向深部转移。

对于倾斜煤层来说,上帮应力高峰区靠近底板,卸压孔应当在靠近底板的位置施工;下帮的应力高峰值靠近顶板,卸压孔应施工在靠近顶板的位置。梯形巷道下帮应力值大于上帮,且高应力区靠近巷帮,应增加下帮卸压孔施工强度;但上帮应力高峰值与巷帮距离较大,应增加上帮卸压孔深度。

5 结论

(1)煤层倾角的变化会引起上下帮高应力区煤岩成分的改变,煤岩组成成分的改变会影响到煤岩的抗压强度和冲击变形能指数,进而影响两帮应力值。随着煤层倾角增大,下帮应力峰值靠近顶板,上帮应力高峰区靠近底板;倾斜煤层的下帮应力高于上帮应力;两侧支承压力峰值与巷帮距离减小,但应力值增加。

(2)倾斜煤层常采用的梯形巷道减小了下帮高应力区与巷帮距离,增加了下帮的应力值。

(3)对于现场进行卸压防冲时,应当充分考虑到煤层倾角和巷道形状对应力分布的影响,相关研究可为类似条件煤矿防冲提供借鉴意义。

[1] 吴海.深部倾斜岩层巷道非均称变形演化规律及稳定控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2014

[2] 孟宪锐,问荣锋等.千米深井大倾角煤层综放采场矿压显现实测研究[J].煤炭科学技术,2007(11)

[3] 赵国宏,苑龙峰.深部厚煤层俯斜大倾角综放开采技术[J].中国煤炭,2013(12)

[4] 衡多,王鹏翔等.大倾角煤层沿空掘巷煤柱留设尺寸探究与应用[J].中国煤炭,2015(4)

[5] 侯朝炯.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨[J].煤炭学报,1989(4)

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[9] 窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2001

(责任编辑 张毅玲)

山西省将建立煤炭资源税监控体系

日前,山西省政府发布的《关于进一步加强煤炭资源税征收管理的实施细则》(以下简称《细则》)提出,山西省将建立全省煤炭资源税监控体系,2016年9月底前对95%以上资源税实时监控。

山西省将煤炭资源税作为地方税收主体税种和重点税源,今年进一步加大征管力度,坚决防范和打击偷逃煤炭资源税行为。对纳税人自采原煤或者自采原煤用于连续生产洗选煤的,一律依法在开采地缴纳资源税。对企业生产销售、纳税申报、税款征收等各环节进行监控,逐户逐月进行评估检查和分析比对,密切跟踪企业产销和税收进展情况,发现企业纳税异常情形,及时核查追缴税款并向上级报告。

《细则》提出,要将煤炭资源税继续作为山西省地税2016年重点稽查任务,开展持续检查。对涉嫌偷逃煤炭资源税的立案检查,对伪造、变造、隐匿、擅自销毁账簿、记账凭证,或者在账簿上多列支出或者不列、少列收入,不申报纳税或者进行虚假纳税申报等偷逃资源税行为的,一律严肃查处。其中,对涉嫌构成犯罪的及时移送公安机关,依法追究相关人员的刑事责任,并对典型案例和企业公开曝光,列入纳税信用记录“黑名单”,维护依法诚信纳税煤炭企业的合法权益。对未按规定办理税款缓缴手续长期欠缴资源税、欠缴资源税税额较大的煤炭企业,作为供给侧改革去产能去库存的重要参考依据之一。

Study on stress characteristics of roadway＇s sides in deep and inclined seam

Liu Jiangang1,Cao Anye2,3,Yu Zhongming1,Jing Guangcheng2,3,Liu Hongyang1
(1.Department of Mining Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui,Guizhou 553004,China; 2.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.State Key Laboratory of Coal Resourcesand Safe Mining,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Aim at the inclined seam,theoretical calculation and numerical simulation methods were used to study the influence of changes of seam＇s dip angle and roadway＇s sectional shape on stress characteristics of roadway＇s sides.Research results showed that the stress in high-side of roadway was high than that in low-side in inclined seam,the stress peak zone of low-side located near the roof while that of high-side near the floor.With the increasing of seam dip angle,the distance between bearing stress peak zone and roadway side became smaller,but the stress was increased;when the roadway section shape was trapezoid,the stress peak was smaller and so was the distance between bearing stress peak zone and roadway＇s low-side.For the roadway in the inclined seam,supporting and pressure relieving should be strengthened in low-side,the relieving holes of low-side should located near the roof while that of high-side near the floor.The reasonability of above results were verified by drillings.

inclined seam,seam roadway,surrounding rock stress,stress distribution,numerical simulation,rock burst

TD353

A

刘建刚(1988-),男,山东昌乐人,讲师,硕士,2014年毕业于中国矿业大学,现在六盘水师范学院从事采矿工程专业的教学和科研工作。

采矿工程省级特色重点学科(黔学位合字ZDXK〔2015〕9号),国家自然科学基金青年科学基金项目(51204165),贵州省科技厅技术基金项目(黔科合LH字〔2015〕7619号)