高抽巷围岩应力场特征及位置优化

邵广印

（淮南矿业集团 谢桥煤矿，安徽 阜阳 236221）

淮南矿业集团谢桥煤矿煤层瓦斯赋存量高，局部有突出危险性。尤其是随着开采深度和开采强度的不断加大，瓦斯涌出量也逐渐增大[1]。因此，在回采巷道掘进时，往往需要布置相应的高（底）抽巷掩护顺槽掘进，在高（底）抽巷布置钻场，向顺槽方向布置抽采钻孔，超前抽采瓦斯，待瓦斯浓度降低到允许浓度后，再掘进顺槽，工作面一般为典型的一面四巷布置[2]。

高抽巷作为沿空留巷Y型通风系统的回风巷道，除了受到掘进期间的工程扰动外，还将承受工作面回采的强动压影响[3]，对比研究高抽巷围岩采动前后的应力场及高抽巷围岩破坏特征，是进一步研究动压影响下高抽巷围岩控制技术的基础[4]。

1 工程地质概况

谢桥矿某工作面煤层平均厚度1.20 m，工作面标高－662.0～－636.5 m。煤层顶板和底板均为泥岩和砂质泥岩。为解决瓦斯涌出量较大、防止煤与瓦斯突出等，工作面轨道顺槽、运输顺槽上方均布置高抽巷，平距为25 m，高抽巷外错，法距为15～35 m，层位关系图如图1所示。

图1 巷道层位关系示意图

2 UDEC数值模拟

采用UDEC数值模拟软件建立轨道顺槽和轨道顺槽高抽巷计算模型，考虑模型边界效应及计算效率，模型几何尺寸选为高×宽＝127 m×220 m，工作面实际长度为220 m，在模型中开挖107 m。

根据地应力测试结果，在上边界施加17.12 MPa应力，模型左、右及下边界岩面出现约束法向位移。

2.1 掘进期间巷道垂直应力

掘进期间的巷道垂直应力场如图2所示。

图2 掘进期间巷道垂直应力场云图

图3 回采期间巷道垂直应力场云图

由图2可知，在平距为25 m、法距为27 m的情况下，巷道掘进期间高抽巷与轨道顺槽的垂直应力场没有叠加形成应力增高区，避开了相互之间的开掘扰动，高抽巷回采侧垂直应力峰值达到27.8 MPa，应力集中系数为1.51，非回采侧垂直应力峰值达到31 MPa，应力集中系数为1.68，非回采侧与回采侧应力分布基本相同，也说明高抽巷基本处于轨顺开挖影响范围之外，应力显著增加的区域在应力峰值向外2 m，2～15 m区域应力缓慢减小，在15 m以外进入原岩应力区。

2.2 回采期间巷道垂直应力

回采期间的巷道垂直应力场如图3所示。

由图3可知，在轨道顺槽与轨道顺槽高抽巷中间位置出现应力集中区，应力集中达到44 MPa，此位置距离高抽巷底板约5 m，距离高抽巷回采侧帮8 m，距离轨顺顶板11.6 m，距离轨顺非回采侧帮12 m。同时在应力集中区的左上角出现了应力降低区，最小应力达13 MPa，此区域面积约为22.3 m2，最小应力值点和应力集中最大值点基本处于同一高度，水平方向向左偏移4 m，距离高抽巷底板约5 m，距离高抽巷回采侧帮12 m，距离轨顺顶板11.6 m，距离轨顺非回采侧帮8 m。

采动结束后，高抽巷两帮最大应力值达31 MPa，应力集中系数达1.68，从应力增量范围和数值大小来看，回采侧受到的采动影响大于非回采侧。高抽巷回采侧应力增量最大值达5 MPa，峰值在距离巷帮8.5 m深的基岩内。0～3 m范围内，应力增量波动；3～8.5 m深的范围内，随着深度的增加，应力增量增大；8.5 m以深部基岩，应力增量逐渐变小。非回采侧应力增量最大值达2.9 MPa，峰值在距离巷帮3 m深的基岩内，0～3 m范围内，应力随深度的增加而增大，3 m以深部基岩，应力增量随深度增加而减小。

3 巷道位置优化

采用UDEC数值模拟软件，建立模型方法同上节。高抽巷的法距取为25 m，平距分别为0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m，考察高抽巷不同位置时巷道的塑性区。由于巷道顶板及两帮有U型棚及锚索支护，故塑性区较小，各方案的区别较小，因此着重对巷道的底板破坏进行比较分析。模拟结果数据整理如图4所示。

由图4可知，在巷道掘进期间，高抽巷处于图通位置时，顶底板、两帮移近量基本相同，说明高抽巷取不同的平距对巷道掘进期间巷道的变形量并没有明显影响。巷道掘进期间，随着巷道平距的变大，巷道两帮呈微弱的减小趋势，均值为147 mm，顶底板出现微弱的变大趋势，均值为356 mm，但趋势都不明显。

在工作面回采期间，由于动压影响，高抽巷取不同的平距，巷道的变形区别较大，随着平距的增大，巷道变形基本呈显著变小的趋势。现以平距为25 m的收敛量为基准进行分析，平距为20 m时，顶底移近为基准的1.15倍，两帮移近量为基准的1.47倍，变形量与基准相差不大；平距为10～15 m时，巷道变形为基准的1.5～1.8；平距为0～10 m时，巷道变形为基准的2倍以上。

4 结论

经论述，得出以下2点结论：①平距∈[0 m，28 m]、法距∈[0 m，17 m]的大致矩形区域为强动压影响区，高抽巷的布置应该避开此区域；②工作面轨道顺槽高抽巷的平距为25 m，法距为15～35 m，基本避开了强动压影响区，但法距为15～20 m的巷段处于强动压影响区边缘，因此在类似工程中可将法距调整为20～35 m。

图4 不同位置高抽巷变形比较