东曲矿12614工作面的动压巷道受力与变形特征分析

尚世敏(西山煤电集团 东曲矿，山西 太原 030050)

东曲矿12614工作面的动压巷道受力与变形特征分析

尚世敏
(西山煤电集团 东曲矿，山西 太原 030050)

通过分析不同阶段巷道动压的诱因及破坏变形特征表明：留巷掘进期间巷道围岩变形较小，表面位移可控制在100 mm以下；相邻工作面回采期间留巷受力大，变形显著；本工作面回采期间相邻工作面留巷侧形成相对稳定的结构再次受到扰动。并针对12614工作面的动压情况进行数值模拟，得出了煤柱支承压力分布曲线，对巷道的支护和管理提供了理论依据。

留巷；动压；变形特征；数值模拟

1 工作面概况

东曲矿12614工作面地面位于石佛塔东南方向，井下位于973水平六采区，地面标高1 239～1 450 m，工作面标高为968～123 m. 该工作面北部为2#煤辅助运输巷，南部为采区边界，北西部为12612工作面。目前，12612底抽巷和12612轨道巷已经掘送完成，与本巷道的煤柱宽度分别为10 m和20 m左右，2#煤和4#煤层间距为13 m左右，2#煤下部的4#煤在本区域尚未开采，因此该工作面不会受到下部煤层回采的影响。

2 巷道动压诱因分析

受到动压破坏的巷道类型有多种，有矿井大巷、采区准备巷道及工作面回采巷道等。对于回采巷道受到强烈采动影响的类型，主要包括沿空留巷、沿空掘巷及宽煤柱留巷等，各种留巷受到采动影响的强烈程度并不完全相同，且作用机理也有很大差别[1,2]. 随着回采工作面的不断推进，沿回采工作面推进方向，伴随工作面推进距离以及推进时间，回采空间两侧煤柱内应力发生动态变化。受相邻工作面回采、巷道掘进和本工作面回采影响，煤柱和实体煤上方往往赋存着较大的动态支承压力，这些高集中应力是巷道产生动压现象的诱因，见图1.

A—原始应力区 B—应力增高区 C—应力稳定区图1 护巷煤柱在回采工作面前后方的应力分布图

3 留巷变形破坏过程分析

留巷使用时间相对较长，一般至少服务于两个以上工作面，因而至少受到两个以上回采工作面采动作用，巷道围岩受高应力作用时间长，变形持续时间长，且始终处于非稳定状态。留巷变形破坏经历3个阶段：

3.1留巷掘进期

回采工作面采用宽煤柱护巷方式，由于煤柱宽度大，留巷掘进基本依然沿原岩应力状态开挖，留巷围岩变形主要取决于地质条件、围岩属性及巷道支护等。留巷掘进期间，巷道围岩变形较小，表面位移一般能够控制在100 mm以下[3].

3.2相邻工作面回采期

留巷受力大，发生显著变形，出现在相邻工作面回采期间，一般划分为2个阶段：1) 工作面回采超前期。2) 工作面回采滞后期。

随着工作面不断向前推进，在工作面前方形成了超前支承压力区，由于留巷存有较大的护巷煤柱，因而受到超前支承压力的影响程度很小，相邻工作面回采超前阶段对留巷的变形破坏作用有限，巷道变形与破坏保持在掘进期间的水平。

伴随着工作面推过，留巷逐渐滞后于相邻工作面煤壁，进入了采空区范围。工作面推进过程，其侧向形成了类似沿其走向形成的结构[4-7]，见图2. 该结构的稳定性直接决定着留巷的变形和破坏程度，随着工作面推进，该结构始终处于动态变化状态，当结构处于失稳期，由于结构发生运动引起的应力扩散影响最大，留巷此期间受力最大；随着结构逐渐趋稳，留巷受力有所减弱，但始终处于高集中应力扰动，因而留巷变形长期达不到稳定，呈现长期持续增长趋势。

图2 回采工作面护巷煤柱侧围岩结构图

3.3本工作面回采期

相邻工作面开采完毕后，本工作面开始回采，随着工作面推进，受到本工作面超前支承压力的影响，相邻工作面留巷侧形成相对稳定的结构再次受到扰动，可能再次发生失稳状态，因而留巷再次受到因结构失稳引起的扰动作用而产生较大的变形，而且受到超前支承压力的影响，留巷超前范围也会受到较大影响，留巷变形也会持续加大[8-10].

4 动压巷道变形特征数值模拟分析

六采区12614皮带巷与相邻12612工作面皮带巷间隔30 m煤柱，同时12612底抽巷位于煤柱正下方的4#煤层中，2#煤和4#煤的垂直距离约为13 m. 12614皮带巷服务期间将会受到相邻12612工作面回采动压的影响，巷道将承受巨大的动态支承压力影响，支护困难。采用大型FLAC3D数值软件，分析12614皮带巷在整个使用期间巷道围岩的受力变形特征，为合理选择支护形式与参数提供依据。

4.1模型建立

根据12614工作面地质条件，建立相应的FLAC3D数值模型，模型尺寸为320 000 mm×100 000 mm×60 000 mm，划分为172 000节单元和184 184个节点，见图3. 根据地质力学测试结果可知，所测区域最大水平主应力：σH=13.96 MPa，最小水平主应力：σh=7.16 MPa，该区段巷道平均埋深为361 m，计算可得垂直主应力选取为：σv=9.03 MPa. 在建模过程中严格按照地质剖面图的尺寸，坐标系采用直角坐标系，XOY平面取为水平面，Z轴取铅直方向，并且规定向上为正，整个坐标系符合右手螺旋法则。三维模型的边界条件取为：上部为自由边界，四周和底部采用铰支。

图3 数值模型图

4.2模拟方案

此模拟的重点在于分析12614工作面在受到相邻工作面回采动压影响时巷道的变形状况，分析工作面回采过程产生的支承压力对巷道围岩应力分布的影响。模拟的目的在于为支护设计提供理论依据，因此在计算的过程中分析了采用不同支护方案下巷道的变形状况，以选择最合理的支护方案。

4.3模拟结果分析

煤柱支承压力分布特征分析：

12612工作面和12614工作面间煤柱中央沿走向和倾向支承压力分布曲线见图4，图5.

图4 沿走向煤柱中央支承压力分布曲线图

图5 沿倾向煤柱中央支承压力分布曲线图

由图4,5可以看出：

1) 煤柱中央沿走向支承压力呈现出了“后高前低”的状态，说明相邻工作面回采超前阶段，对留巷的变形破坏作用有限，巷道变形与破坏基本能够保持在掘进期间的水平。

2) 伴随着工作面推进，留巷进入相邻工作面采空区范围不断扩大，而滞后于回采工作面的煤柱中的支承压力也呈逐渐升高的态势，位于采空区的范围越大，巷道围岩承受的侧压越大。

3) 通过不同位置侧向煤柱中支承压力分布可以看出，在滞后工作面30 m位置处，采空区形成的侧向支承压力达到了43.0 MPa，应力集中系数达到了4.78；工作面位置，倾向煤柱中的支承压力为22.8 MPa，应力集中系数为2.53；超前工作面30 m处，由于工作面回采产生的超前支承压力的影响而在煤柱中产生的支承压力仅为12 MPa，应力集中系数仅为1.33，几乎和原岩应力相等同。由此可见，工作面回采产生的侧向支承压力对于留巷的影响主要是在采空段，而且滞后的距离越大，影响越大。

5 现场应用

分析东曲矿现有巷道支护设计，再结合井下实际调研结果，提出现有支护设计存在的问题。主要包括两个方面：1) 锚杆锚索预应力重视程度不够。2) 支护形式较为单一。

通过对留巷变形破坏过程的分析和数值模拟得出的结论，对12614工作面及其周围巷道存在的问题进行改进，加强对锚杆锚索预应力的重视，同时重点加强了巷道两帮的支护，减少巷道两帮的变形以及由巷道两帮变形引起的底鼓问题，并对工作面回采对于留巷采空段产生的侧向支承压力进行控制，缩短滞后距离。改进后，有效减小了支承压力的影响，保证了12614工作面的稳定。

6 结 论

1) 临近回采工作面的巷道滞后工作面采空区时受到影响较大，而在回采工作面的超前阶段，受到的影响较小，并且采空区上覆岩层的结构处于动态变化过程，达到稳定需要的时间也很长。

2) 加强动压巷道两帮的支护，比如加大锚杆的长度、补打锚索等方式，不仅可以有效控制巷道两帮的变形，更重要的是可以减少由于巷道两帮变形而引起的底板变形。

[1] 王德璋，李俊杰.动压巷道矿压显现规律及支护技术[J].煤炭科学技术,2011,39(4):40-41.

[2] 康红普.深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术[J].煤炭科学技术，2013，41(9):12-17．

[3] 高 峰,李纯宝,张树祥.复合顶板巷道变形破坏特征与锚杆支护技术[J].煤炭科学技术,2011,39(8):23-25,34.

[4] 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议[J].煤炭科学技术,2006,34(12):78-81.

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[6] 申佳啸,杨双锁,宋朝部，等.二次采动影响期间沿空留巷矿压显现规律[J].煤矿安全,2013,44(8),204-206.

[7] 刘宗亮，涂 敏，彭永贵，等．孤岛工作面围岩巷道变形观测分析[J]．煤矿开采，2011，16(5):83-85．

[8] 张立武.大断面沿空留巷工作面初采矿压观测研究[J].煤炭工程,2012(10):105-107.

[9] 薛吉胜，范志忠，黄志增．极近距离煤层采空区下工作面两巷合理位置确定[J]．煤炭科学技术，2012，40(4):27-31．

[10] 黄艳利,张吉雄,巨 峰.巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律[J].西安科技大学学报,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

·试验研究·

2017-07-03

尚世敏(1984—),男，山西古交人，2012年毕业于太原科技大学，助理工程师，主要从事矿山安全技术及管理工作(E-mail)2656755911@qq.om

TD323

B

1672-0652(2017)10-0020-03