平煤八礦巷道空間應(yīng)力分布規(guī)律的理論研究

劉冰夏

（中國平煤神馬能源化工集團(tuán)平煤股份八礦，河南平頂山467012）

平煤八礦巷道空間應(yīng)力分布規(guī)律的理論研究

劉冰夏

（中國平煤神馬能源化工集團(tuán)平煤股份八礦，河南平頂山467012）

平煤八礦的區(qū)域瓦斯治理巷道設(shè)計(jì)鉆孔施工量大、有效抽放長(zhǎng)度短、抽放瓦斯?jié)舛鹊汀⑺p快，明顯影響煤層抽放效果。為了優(yōu)化區(qū)域治理工程設(shè)計(jì)，本文以八礦巷區(qū)域防治資料為依據(jù)，采用數(shù)值模擬的方法，分析了單條巷道及兩條巷道不同疊加狀態(tài)的應(yīng)力分布，并確定了八礦區(qū)域瓦斯治理工程中掩護(hù)巷應(yīng)設(shè)計(jì)在垂直巷道距離10m以內(nèi)的卸壓區(qū)。

區(qū)域治理；采動(dòng)工作面；理論分析；應(yīng)力分布

隨著礦井開采深度的增加，瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性也不斷增大，瓦斯已成為制約礦井安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效的主要因素［1］。為了杜絕煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，八礦經(jīng)過多年的實(shí)踐和總結(jié)，將摸索出來的諸多瓦斯治理方法進(jìn)行融合，形成了優(yōu)化工作面設(shè)計(jì)、工作面分級(jí)管理、區(qū)域鉆孔異常分析、前探鉆孔瓦斯異常分析、區(qū)域效檢參數(shù)匯總分析、局部效檢參數(shù)匯總分析以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析七個(gè)方面組成的八礦防突預(yù)警技術(shù)管理體系。其中工作面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是瓦斯區(qū)域治理的基礎(chǔ)［2］。

1　區(qū)域瓦斯治理巷道概況

八礦的工作面設(shè)計(jì)是通過對(duì)地質(zhì)信息、煤層賦存、頂?shù)装鍘r性、水文、瓦斯賦存情況，進(jìn)行綜合考量，設(shè)計(jì)工作面施工方案。但其區(qū)域瓦斯治理巷道設(shè)計(jì)經(jīng)歷了多個(gè)階段，早期區(qū)域瓦斯治理巷多為高抽巷，且與煤巷距離較大，如己15-13330機(jī)巷外段高抽巷布置于機(jī)巷上方10m位置，與機(jī)巷中對(duì)中距離為30m，見圖1所示。

圖1　己15-13330機(jī)巷外段區(qū)域治理巷道示意圖Fig.1 The outer section of roadway machine regional governanceof J 15-13330

由于區(qū)域治理巷道與煤巷中對(duì)中距離過大，導(dǎo)致鉆孔施工工程量大，鉆孔的有效抽放長(zhǎng)度短，造成巷道的瓦斯抽放濃度低，衰減快，明顯影響煤層抽放效果。因此需要研究巷道空間應(yīng)力分布規(guī)律，確定八礦區(qū)域治理工程最優(yōu)布置方案。

2　巷道空間應(yīng)力分布規(guī)律

2.1單條巷道應(yīng)力分布

圖2　單巷道應(yīng)力分布規(guī)律Fig.2The single aisle stress distribution diagram

從圖2單巷道應(yīng)力分布規(guī)律看出，隨著沿水平方向垂直巷道距離的增大，最大主應(yīng)力先快速增大，在距離為12m時(shí)到最大值，后逐漸減小，在距離為20m后，應(yīng)力值基本穩(wěn)定在33MPa；中間主應(yīng)力快速增大，在距離為12m處達(dá)到最大值30MPa，而后保持該值不變；最小主應(yīng)力緩慢增加，在距離為20m后，應(yīng)力變化曲線逐漸平緩。可以看出：

第一，距離巖巷10m之內(nèi)，三向地應(yīng)力均降低，為卸壓區(qū)。

第二，距離巖巷10～20m，沿巷道切線方向產(chǎn)生應(yīng)力集中，為應(yīng)力集中區(qū)域。

第三，在巖巷20m之外，三向應(yīng)力都趨于原始狀態(tài)，煤巖體受到巷道采動(dòng)影響較小，為原始區(qū)域。

2.2兩條巷道應(yīng)力疊加——截面應(yīng)力分布

分別研究平距為0m、5m、10m、20m、25m，垂距為5m、7m、8m、10m、15m、20m、25m條件下底板巖巷道和煤層巷道應(yīng)力疊加狀態(tài)。

圖3　兩條巷道應(yīng)力疊加——截面應(yīng)力分布Fig.3 Two roadways stress superposition——sectional stress distribution

圖4　兩條巷道應(yīng)力疊加——掘進(jìn)頭應(yīng)力分布Fig.4 Superimposed two roadways stress——stress distribution boring head

由圖4可知：當(dāng)兩條巷道平距0m時(shí)，一方面，在距掘進(jìn)頭距離不變的情況下，兩條巷道的垂距對(duì)垂直巷道的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力有明顯的影響，隨著垂距的增加，由5m到25m，垂直巷道的水平應(yīng)力先迅速增大后緩慢減小，垂距為15m最大，而垂直巷道的垂直應(yīng)力逐漸增大，其速率先增大后減小；另一方面，當(dāng)兩條巷道垂距確定時(shí)，垂直巷道的水平應(yīng)力隨著距掘進(jìn)頭距離的增大先迅速增大后慢慢減小并平緩下來，整個(gè)過程出現(xiàn)一個(gè)峰點(diǎn)，垂直巷道的水平應(yīng)力峰點(diǎn)在距掘進(jìn)頭距離5m處，巷道間的垂距對(duì)其影響較小，而垂直巷道的垂直應(yīng)力峰點(diǎn)受巷道間垂距影響，在垂距為5m、7m、10 m和15m時(shí)，峰點(diǎn)在距掘進(jìn)頭距離為3m處，在垂距為20m、25m時(shí)，峰點(diǎn)在據(jù)掘進(jìn)頭距離為5m處。

當(dāng)兩條巷道平距20 m時(shí)，在距掘進(jìn)頭距離不變的情況下，兩條巷道的垂距對(duì)垂直巷道的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力影響不明顯，隨著垂距的增加，由10m到 25m，垂直巷道的水平應(yīng)力有增大趨勢(shì)，而垂直巷道的垂直應(yīng)力有減小趨勢(shì)；當(dāng)兩條巷道垂距確定時(shí)，垂直巷道的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力與巷道間平距為0m時(shí)的變化規(guī)律基本一致，整個(gè)過程出現(xiàn)一個(gè)峰點(diǎn)，垂直巷道的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力峰點(diǎn)都在距掘進(jìn)頭距離5m處，巷道間的垂距對(duì)其影響較小，但是垂直巷道的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力數(shù)值整體小于平距為0m的情況。

在底板巖巷施工之后，不同空間距離條件下，煤巷掘進(jìn)頭應(yīng)力分布差異較大，產(chǎn)生不同的突出危險(xiǎn)性［3］。

2.3理論分析結(jié)果

圖5　理論分析結(jié)果Fig.5 Theoretical analysis result

圖5所示，在巷道絕對(duì)距離增大的過程中，小于10m的分段，巷道正前方最大應(yīng)力小于最大主應(yīng)力，有明顯差距，但巷道正前方最大應(yīng)力逐漸增大并迅速縮小與最大主應(yīng)力的差距；在10～20m的分段，巷道正前方最大應(yīng)力與最大主應(yīng)力的差距最小，但隨著巷道絕對(duì)距離的增加而緩慢減小；在大于20m的分段中，巷道正前方最大應(yīng)力基本穩(wěn)定在4 500MPa。上述情況可以得出：

第一，兩條巷道絕對(duì)距離小于10m時(shí)，應(yīng)力集中最小。

第二，絕對(duì)距離在10～20m時(shí)，應(yīng)力集中比較大。

第三，絕對(duì)距離超過20m時(shí)，擾動(dòng)逐漸不顯著。

3　主要結(jié)論

上述研究得出八礦巷道空間應(yīng)力分布規(guī)律，掩護(hù)巷與被掩護(hù)巷空間位置在10m以內(nèi)為卸壓區(qū)，為八礦瓦斯區(qū)域治理工程的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。將掩護(hù)巷設(shè)計(jì)在卸壓區(qū)內(nèi)，既保證兩條巷道處于卸壓區(qū)，又控制了區(qū)域鉆孔施工量，保證了區(qū)域抽放效果。

［1］袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術(shù)［J］.中國煤炭，2010，36（6）：5-12.

［2］郭峰.平頂山礦區(qū)瓦斯防治對(duì)策研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，（01）：95-98.

［3］羅超文，李海波，劉亞群.深埋巷道地應(yīng)力測(cè)量及圍巖應(yīng)力分布特征研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（7）：1418-1423.

Theoretical Research on Space Stress Distribution in Pingdingshan No.8 Coalmine

LIUBing-xia
（No.8 Mine ofChina Pingmei Shenma EnergyChemical Group,Pingdingshan 467012,China）

In terms of regional gas control in Pingdingshan No.8 coalmine,drilling construction is exorbitant,effective drainage length is short, gas drainage concentration is low,attenuation is quick,which influences gas drainage effect.In order to improve regional control design,based on the data of No.8 coalmine,this article uses numerical simulation method to analyze the space stress distribution in the single roadway and double roadways.The space stress distribution determines design ofthe shelter roadway in distressed zone around 10m.

Regional gas control;Miningworkingface;Theoretical research；Stress distribution

TD311

A

1674-8646（2015）09-0018-02

2015-05-28

劉冰夏（1987-），男，河南平頂山人，助理工程師，從事礦山安全研究。