斜沟矿高位回风措施巷合理位置研究

刘宗柱

(西山晋兴能源有限责任公司 斜沟矿，山西 吕梁 033602)

·试验研究·

斜沟矿高位回风措施巷合理位置研究

刘宗柱

(西山晋兴能源有限责任公司 斜沟矿，山西 吕梁 033602)

以斜沟矿18205高位回风措施巷为工程背景，分析了影响工作面回风巷围岩稳定的原因，提出了两回风巷合理间距确定原则，通过数值模拟方法确定了工作面回风巷与高位回风措施巷之间合理的水平间距应大于15 m，综合考虑高位回风措施巷排放瓦斯效果，取合理水平间距为15 m.

高位回风措施巷；合理间距；围岩稳定性

高瓦斯工作面中高位偏E型通风是解决高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限的有效措施，高位回风措施巷与工作面回风巷的水平间距是决定排除工作面回风巷采空区中瓦斯量以及上隅角瓦斯治理效果的决定性因素，水平间距越小瓦斯治理效果越好，但回风巷受高位回风措施巷的工程扰动越严重。因此，在通风和顶板管理这对矛盾体中寻求一个平衡点，有着重要的意义。

1 工程概况

斜沟矿18205工作面属于高瓦斯工作面，工作面材料巷为回风巷，为解决工作面上隅角瓦斯超限问题，掘送了高位回风措施巷。高位回风措施巷掘送后导致材料巷矿压显现强烈，材料巷顶板锚杆、锚索断裂，顶板下沉、底板鼓起。工程概况见图1.

图1 工程概况图

2 矿压监测结果分析

针对矿压显现最为强烈的里程1 200～1 300 m，采取了钢带锚索+注浆的补强支护措施，为研究确定顶板岩层离层破碎情况及顶板维护效果，在里程1 250 m处对顶板岩层进行了窥视，并于里程1 220 m、1 250 m和1 280 m布置了3个锚索测力计测点。

1) 顶板窥视结果。

顶板窥视情况见图2.

图2 顶板窥视图

材料巷顶板锚杆支护采用规格d22 mm×2 600 mm的高强度锚杆，由图2可知，受高位回风措施巷掘进扰动影响，材料巷顶板锚杆锚固范围内100～260 mm、400～600 mm、1 324 mm、2 000～2 240 mm顶板破碎离层严重，2 000～2 240 mm处最大离层量为15 mm.

2) 测力计监测结果。

锚索测力计变化曲线图见图3. 由图3可知，3个锚索测力计，测力值处于相对稳定的状态，说明补强支护效果良好，注浆液将破碎岩体黏合成整体，将离层间隙充填，抑制了岩层向深部的进一步离层破碎，锚索支护将浅部破碎岩体整体悬吊于顶板深部稳定岩层，确保了材料巷顶板安全。

图3 锚索测力计变化曲线图

3 围岩破坏原因分析

1) 围岩力学性质。

材料巷2 350 m处巷道顶板和两帮煤岩体强度测试结果见图4，图5. 由图4，5可以看出：

a) 顶板泥岩的平均强度为40.07 MPa，泥质砂岩的强度为27.61 MPa，泥岩平均强度为41.65 MPa，中砂岩的强度为65.4 MPa，巷道顶板直接控制岩层对象为泥岩，强度为40.67 MPa，属于Ⅲ类中等稳定岩层顶板。

b) 由于直接顶岩层厚度薄，其上部为砂质泥岩或泥质砂岩，平均强度为27.61 MPa，厚度大，而且强度也比较低，不利于巷道顶板围岩稳定。

c) 帮部煤体的平均强度为17.77 MPa，不同深度强度测试值波动范围较小，说明煤体中裂隙发育程度低，有利于帮部的稳定。

图4 材料巷顶板岩体强度测试结果图

图5 材料帮部煤体强度测试结果图

2) 围岩应力环境。

在12采区，地应力场呈σv>σH>σh型，对于该种类型地应力场巷道最佳布置方式为巷道轴向与最大水平主应力方向垂直，测试结果显示最大水平主应力方向呈北偏西向，介于N14.3°W～N35.4°W，巷道同最大水平主应力方向并不垂直，巷道的稳定性将要受到最大水平主应力的影响。加之高位回风措施巷的工程扰动影响，材料巷围岩稳定性更不易于保证。

4 合理位置研究

1) 巷道间距确定原则[1,3].

巷道开挖后，围岩中应力重新分布，在巷道周围形成破碎区、塑性区和弹性应力区，三区域范围内应力分布状况为应力降低区、应力增高区和原岩应力区，塑性区中切向应力σθ，弹性区中切向应力σθe分别如下：

(适用范围a≤r≤R0)

(适用范围R0≤r≤∞)

式中：

σθ—塑性区切应力，Pa;

σθe—弹性区切应力，Pa;

p0—原岩应力，Pa;

pi—支架反力，N;

a—巷道半径，m;

c—黏聚力，Pa;

φ—内摩擦角，(°);

r—距巷道中心的距离，m;

R0—塑性区半径，m.

相距为X的两巷道开挖后，两巷道围岩应力叠加，X的大小直接影响应力叠加结果，从而影响巷道围岩的稳定性。

巷道1：

(适用范围a≤r≤R0塑性区)

(适用范围R0≤r≤R0弹性区)

巷道2：

(适用范围(X-R0)≤r≤(X-a)塑性区)

(适用范围R0≤r≤(X-R0)弹性区)

应力曲线叠加图见图6.

图6 应力曲线叠加图

由计算结果可知，应力叠加后会出现“单峰”、“平台”和“双峰”6种情况，在巷道空间位置允许条件下应首选“双峰”间距，其次为“平台”间距。

2) 巷道合理位置确定。

结合斜沟矿18205工作面地质条件，采用通用离散元软件UDEC4.0，分析两巷道不同间距条件下，应力叠加结果及回风巷围岩变形量，从而确定两巷道间的合理水平间距，数值计算模型底边界垂直方向固定，左右边界水平固定，数值模拟模型采用摩尔—库伦准则[2,4]，模型总体尺寸为宽100 m×高46.94 m，上边界载荷按煤层埋藏深度500 m计算。不同间距下垂直应力叠加形态图见图7.

由模拟结果可知，两巷道相距大于15 m时，两巷间围岩垂直应力叠加结果为16 MPa；两巷道之间相距12 m和8 m时，两巷间围岩垂直应力叠加结果为18 MPa，较15 m和20 m时高出2 MPa，两巷相互扰动严重；两巷道相距3 m时，两巷间围岩垂直应力为8 MPa，小于原岩应力12.5 MPa，两巷应力叠加后形成“单峰”形态，高围岩应力已达到岩体的极限屈服强度，两巷道间围岩岩体发生塑性变形破坏。不同间距回风巷围岩变形曲线图见图8.

由图8可知，当两巷水平间距大于8 m时，两巷间距对底板围岩扰动基本不变；当两巷水平间距大于15 m时，巷道围岩变形量趋于稳定。因此，高位回风措施巷与工作面回风巷的合理水平间距应大于15 m，考虑到高位回风措施巷排放上隅角瓦斯的最佳水平间距为8～15 m，综上分析高位措施巷合理间距应取15 m.

5 结 论

1) 通过分析巷道围岩强度及围岩中应力的主要分布形态，得出围岩强度低及巷道布置方向、最大主应力不垂直以及采动影响是工作面回风巷围岩破碎的主要原因。

2) 研究确定了两巷道开挖后应力相互叠加3种形态，确定了巷道合理间距的确定原则。

3) 依托18205工作面地质条件建立数值模拟计算模型，通过数值模拟计算确定了两巷道间合理水平间距应大于15 m，综合考虑高位回风措施巷排放瓦斯效果，最终确定12采区工作面高位回风措施巷与工作面回风巷之间的合理水平间距为15 m.

图7 不同间距下垂直应力叠加形态图

图8 不同间距回风巷围岩变形曲线图

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StudyonReasonablePositioningofReturnAirwayabovetheRoofinXiegouCoalMine

LIUZongzhu

Based on the engineering of No.18205 return tunnel above the roof in Xinggou Mine, the reasons that affect the stability of surrounding rock of return airway in working face are analyzed in the paper. The principle of determining the reasonable spacing between two return air passages is proposed. The numerical simulation method is used to determine the horizontal spacing between airway and roof-above return airway, it should be larger than 15 m. Considering the gas drainage effect in the roof-above return airway, reasonable horizontal spacing is determined as 15 m.

Roof-above return airway; Reasonable spacing; Surrounding rock stability

2017-09-20

刘宗柱(1986—)，男，河北吴桥人，2014年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事矿井开采工作

(E-mail)liuzongzhuzi@163.com

TD353

B

1672-0652(2017)11-0048-04