平煤八礦巷道空間應力分布規律的理論研究

劉冰夏

（中國平煤神馬能源化工集團平煤股份八礦，河南平頂山467012）

平煤八礦巷道空間應力分布規律的理論研究

劉冰夏

（中國平煤神馬能源化工集團平煤股份八礦，河南平頂山467012）

平煤八礦的區域瓦斯治理巷道設計鉆孔施工量大、有效抽放長度短、抽放瓦斯濃度低、衰減快，明顯影響煤層抽放效果。為了優化區域治理工程設計，本文以八礦巷區域防治資料為依據，采用數值模擬的方法，分析了單條巷道及兩條巷道不同疊加狀態的應力分布，并確定了八礦區域瓦斯治理工程中掩護巷應設計在垂直巷道距離10m以內的卸壓區。

區域治理；采動工作面；理論分析；應力分布

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性也不斷增大，瓦斯已成為制約礦井安全生產和高產高效的主要因素［1］。為了杜絕煤與瓦斯突出事故的發生，八礦經過多年的實踐和總結，將摸索出來的諸多瓦斯治理方法進行融合，形成了優化工作面設計、工作面分級管理、區域鉆孔異常分析、前探鉆孔瓦斯異常分析、區域效檢參數匯總分析、局部效檢參數匯總分析以及監測監控數據分析七個方面組成的八礦防突預警技術管理體系。其中工作面的優化設計，是瓦斯區域治理的基礎［2］。

1　區域瓦斯治理巷道概況

八礦的工作面設計是通過對地質信息、煤層賦存、頂底板巖性、水文、瓦斯賦存情況，進行綜合考量，設計工作面施工方案。但其區域瓦斯治理巷道設計經歷了多個階段，早期區域瓦斯治理巷多為高抽巷，且與煤巷距離較大，如己15-13330機巷外段高抽巷布置于機巷上方10m位置，與機巷中對中距離為30m，見圖1所示。

圖1　己15-13330機巷外段區域治理巷道示意圖Fig.1 The outer section of roadway machine regional governanceof J 15-13330

由于區域治理巷道與煤巷中對中距離過大，導致鉆孔施工工程量大，鉆孔的有效抽放長度短，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力分布規律，確定八礦區域治理工程最優布置方案。

2　巷道空間應力分布規律

2.1單條巷道應力分布

圖2　單巷道應力分布規律Fig.2The single aisle stress distribution diagram

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

第一，距離巖巷10m之內，三向地應力均降低，為卸壓區。

第二，距離巖巷10～20m，沿巷道切線方向產生應力集中，為應力集中區域。

第三，在巖巷20m之外，三向應力都趨于原始狀態，煤巖體受到巷道采動影響較小，為原始區域。

2.2兩條巷道應力疊加——截面應力分布

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力疊加狀態。

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

圖4　兩條巷道應力疊加——掘進頭應力分布Fig.4 Superimposed two roadways stress——stress distribution boring head

由圖4可知：當兩條巷道平距0m時，一方面，在距掘進頭距離不變的情況下，兩條巷道的垂距對垂直巷道的水平應力和垂直應力有明顯的影響，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力逐漸增大，其速率先增大后減小；另一方面，當兩條巷道垂距確定時，垂直巷道的水平應力隨著距掘進頭距離的增大先迅速增大后慢慢減小并平緩下來，整個過程出現一個峰點，垂直巷道的水平應力峰點在距掘進頭距離5m處，巷道間的垂距對其影響較小，而垂直巷道的垂直應力峰點受巷道間垂距影響，在垂距為5m、7m、10 m和15m時，峰點在距掘進頭距離為3m處，在垂距為20m、25m時，峰點在據掘進頭距離為5m處。

當兩條巷道平距20 m時，在距掘進頭距離不變的情況下，兩條巷道的垂距對垂直巷道的水平應力和垂直應力影響不明顯，隨著垂距的增加，由10m到 25m，垂直巷道的水平應力有增大趨勢，而垂直巷道的垂直應力有減小趨勢；當兩條巷道垂距確定時，垂直巷道的水平應力和垂直應力與巷道間平距為0m時的變化規律基本一致，整個過程出現一個峰點，垂直巷道的水平應力與垂直應力峰點都在距掘進頭距離5m處，巷道間的垂距對其影響較小，但是垂直巷道的水平應力和垂直應力數值整體小于平距為0m的情況。

在底板巖巷施工之后，不同空間距離條件下，煤巷掘進頭應力分布差異較大，產生不同的突出危險性［3］。

2.3理論分析結果

圖5　理論分析結果Fig.5 Theoretical analysis result

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

第一，兩條巷道絕對距離小于10m時，應力集中最小。

第二，絕對距離在10～20m時，應力集中比較大。

第三，絕對距離超過20m時，擾動逐漸不顯著。

3　主要結論

上述研究得出八礦巷道空間應力分布規律，掩護巷與被掩護巷空間位置在10m以內為卸壓區，為八礦瓦斯區域治理工程的設計提供了理論依據。將掩護巷設計在卸壓區內，既保證兩條巷道處于卸壓區，又控制了區域鉆孔施工量，保證了區域抽放效果。

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

［2］郭峰.平頂山礦區瓦斯防治對策研究［J］.礦業安全與環保，2014，（01）：95-98.

［3］羅超文，李海波，劉亞群.深埋巷道地應力測量及圍巖應力分布特征研究［J］.巖石力學與工程學報，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。