深部傾斜煤層巷道兩幫應力特性的研究?

劉建剛曹安業郁鐘銘井廣成劉洪洋

(1.貴州六盤水師范學院礦業工程系,貴州省六盤水,553004; 2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116; 3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

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深部傾斜煤層巷道兩幫應力特性的研究?

劉建剛1曹安業2,3郁鐘銘1井廣成2,3劉洪洋1

(1.貴州六盤水師范學院礦業工程系,貴州省六盤水,553004; 2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116; 3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

以傾斜煤層為研究對象,運用理論計算和數值模擬,研究了煤層傾角和巷道形狀的變化對巷道兩幫應力特性的影響。研究表明：傾斜煤層的下幫應力高于上幫應力,下幫應力峰值區靠近頂板,上幫應力峰值區靠近底板。隨煤層傾角增加,支承壓力峰值與巷幫距離減小,但應力值增加;梯形巷道會使得上幫應力值減小,下幫支承壓力峰值與巷幫距離減小。對于傾斜煤層巷道,應當加強巷道下幫支護和卸壓,下幫應當將卸壓孔施工在靠近頂板的位置,上幫應當將卸壓孔施工在靠近底板的位置。通過鉆屑法監測驗證了上述研究結果的合理性。

傾斜煤層 煤層巷道 圍巖應力 應力分布 數值模擬 沖擊礦壓

近幾年,隨著我國煤炭開采深度的增加,多個礦井開采深度已經達到或超過千米。我國大量深部礦井的煤層呈現傾斜分布狀態。國內外的實踐證明,傾斜煤層的圍巖穩定性和圍巖應力狀態不同于水平煤層,傾斜煤層中巷道變形呈現非對稱性變形,傾斜煤層巷道兩幫應力存在差異。本文以深部傾斜煤層為基礎,運用煤巖組合理論和數值模擬,研究隨著煤層傾角和巷道形狀的變化,巷道兩幫應力的變化特征,并運用鉆屑法對結論進行驗證。根據傾斜煤層兩幫的應力分布差異,為深部傾斜煤層的開采提供針對性防沖指導。

1 傾斜煤層巷道兩幫應力特征分析

1.1 傾斜煤層應力特征

1.1.1 支承壓力峰值位置

根據研究,如圖1所示,在煤層中開挖一部分空間后,在巷道兩幫位置形成應力集中,其中A區和B區為高應力區所在位置。A區和B區的高應力與幫部的距離可以按照應力極限平衡區寬度計算公式進行確定：

圖1 傾斜煤層兩幫應力狀況

式中：x0——應力極限平衡區寬度;

m——煤層開采高度(巷道高度);

A——側壓系數;

φ0——組合煤巖體的內摩擦角;

k——壓力升高系數;

γ——巖層平均容重;

H——煤層采深;

C0——煤層與頂底板巖層的粘聚力;

Px——支架對煤幫的支護阻力。

隨著傾角增加,A、B區域的應力集中位置的煤巖性質發生改變,逐漸由煤層水平位置時的純煤狀態轉換為有傾角時的煤巖組合體,直至煤層垂直時的純巖體;根據組合煤巖樣研究可知,組合煤巖體中隨著巖石所占比重的增加,組合煤樣的內摩擦角φ0、粘聚力C0不斷變大,將巷道兩幫簡化為煤巖組合體,將所得結果帶入應力極限平衡區寬度計算公式(1),可知隨著煤層傾角的增加,高應力區與巷幫的距離不斷減小。

不管煤層傾角如何變化,巷道兩幫煤巖所占的比重是相同的,故其力學參數是相同的。雖然k1γH＞k2γH(下幫受到向下的壓應力,故下幫應力大,在1.1.2節中有詳細的說明),但是兩者數值相差較小,故代入式(1)后對應力極限平衡區寬度的計算結果影響甚小,所以可以認為X1＝X2＝X0。

1.1.2 兩幫應力值特征

隨著傾角的增加,支承壓力區煤巖性質發生改變,巖石所占比例將不斷增加,煤的比例在減小。根據組合煤巖樣研究得出,隨著組合煤巖樣中巖石比例的增加,抗壓強度和沖擊變形能將逐漸增加。因此隨著煤層傾角的增加,巷道兩幫能承受更大的應力,積聚更高的能量,兩幫支承壓力值增加。

由于傾斜煤層巷道開挖后,兩幫表面均受到平行于巷幫的切應力作用。將切應力沿煤層方向和垂直于煤層方向進行分解,如圖2所示,下幫在平行于煤體方向受到擠壓作用,而上幫則受到一個拉伸作用,導致傾斜煤層下幫應力高峰值大于上幫的應力高峰值。

圖2 傾斜煤層兩幫應力分解

圖3 傾斜煤層應力分布圖

1.2 巷道形狀對應力的影響分析

1.2.1 支承壓力峰值位置

實際生產中,為了對頂板較為有效的支護,傾斜煤層常沿頂板掘進,巷道呈現梯形特征,如圖3。根據極限平衡區計算式(1),雖k1γH＞k2γH,但是兩者數值相差較小,對應力極限平衡區寬度的計算結果影響甚小。此時巷道兩幫高度成主要影響因素,高應力區與巷幫的距離隨著巷道高度的減小而減小,梯形巷道下幫高度小于上幫高度,因此下幫應力峰值位置與幫部距離較小;上幫應力峰值位置與幫部距離較大。

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.2.2 兩幫應力值特征

如圖4所示,傾斜煤層巷道常呈現梯形特征,底板位置留有部分未開挖煤層,此時下幫底部將受到一個水平方向的應力,使得原本的上下兩幫應力差擴大。

圖4 梯形巷道應力分布圖

2 計算模型

2.1 模擬的基本條件

假定巖體服從摩爾-庫侖破壞條件,根據摩爾-庫侖準則建立采場平面應變模型,模型x方向長度85 m,y方向長度為40 m,z方向高度隨著煤層傾角的變化而變化,所建模型埋深為800 m,模擬煤層厚度為5 m,巷道沿頂底板掘進。模擬要研究兩個問題：模擬煤層傾角為0°、10°、20°、30°4種情況,研究傾角對巷道兩幫應力的影響;模擬巷道菱形開挖和梯形開挖,研究巷道形狀對兩幫應力的影響。

2.2 模擬結果分析

2.2.1 巷道兩幫應力與煤層傾角的關系

不同傾角下應力的分布云圖見圖5。

圖5 不同傾角下應力的分布云圖

通過分析圖5可知,煤層處于水平狀態時,巷道兩幫應力呈現對稱分布;隨著煤層傾角的不斷增加,巷道開挖后,煤層中的應力逐漸呈現不對稱性,下幫應力主要集中在煤層靠近頂板位置;上幫的應力則主要集中在煤層靠近底板的位置;巷道兩側高應力區距離巷道兩幫近似相等。

峰值應力分布特征與煤層傾角的關系見圖6,圖6顯示,隨著傾角的增加,下幫高應力區應力峰值逐漸大于上幫,傾角越大兩者差距越明顯;隨著煤層傾角的加大,高應力區峰值應力距離幫部由0°時的6.1 m變為30°時的4.9 m,距離減小;隨著傾角的加大,上下兩幫的高應力區應力峰值由0°時的不到27.6 MPa,增加到30°時的28.8 MPa。

圖6 峰值應力分布特征與煤層傾角的關系

隨著煤層傾角的增大,高應力區與巷幫距離均減小,但兩幫應力均增加,且下幫應力逐漸大于上幫應力。

2.2.2 巷道形狀對傾斜煤層應力的影響

菱形巷道形狀的應力分布特征如圖7所示,菱形巷道上下幫高應力區峰值應力在28 MPa附近,兩者應力值相差很小。

圖7 菱形巷道應力分布云圖

梯形巷道的應力分布云圖如圖8所示,從梯形巷道上下兩幫的高應力區可以看出,上幫高應力區的峰值應力與巷幫的距離為5 m,下幫僅僅3 m,上幫的高應力區與巷幫的距離大于下幫應力高應力區與巷幫的距離,下幫峰值應力為28 MPa,上幫應力峰值僅為26.5 MPa,梯形巷道使得上下兩幫應力峰值差增加。

圖8 梯形巷道的應力分布云圖

3 現場監測與檢驗

根據鉆屑理論,鉆屑量的多少可以反映出煤體中應力的大小,鉆孔過程中出現鉆屑超標或者卡鉆位置能夠反應出高應力區與巷幫的距離。

張雙樓煤礦7418工作面煤層傾角平均為23°,煤厚4 m,采用梯形巷道沿頂板掘進,掘進過程中在兩幫均使用鉆屑法進行兩幫應力監測。實施鉆屑監測的鉆孔孔徑為42 mm,深度為10 m,間距為5 m,上幫鉆屑孔距離底板0.8 m,下幫鉆屑孔距離頂板0.8。將兩幫監測的鉆屑值和出現鉆粉超標或者卡鉆情況進行統計,如圖9所示。

圖9 不同鉆孔深度的鉆屑量

從圖9可以看出,下幫整體鉆屑量值高于上幫鉆屑量,說明下幫的應力值高于上幫應力;下幫出現鉆粉超標或者卡鉆的位置與巷幫的距離平均為5.63 m,而上幫則為7.56 m,說明下幫高應力區更加靠近巷幫。此結果驗證了部分前面的理論分析和數值模擬。

4 傾斜煤層沖擊礦壓防治探討

根據沖擊礦壓機理研究,沖擊礦壓的發生是由于支承壓力區在煤體中形成彈性核,積聚能量,當能量積聚到一定程度,引起煤體的突然破壞,向外釋放大量能量,最終導致沖擊礦壓的發生。為了防治沖擊礦壓,應將卸壓孔施工在高應力區,使得彈性核向深部轉移。

對于傾斜煤層來說,上幫應力高峰區靠近底板,卸壓孔應當在靠近底板的位置施工;下幫的應力高峰值靠近頂板,卸壓孔應施工在靠近頂板的位置。梯形巷道下幫應力值大于上幫,且高應力區靠近巷幫,應增加下幫卸壓孔施工強度;但上幫應力高峰值與巷幫距離較大,應增加上幫卸壓孔深度。

5 結論

(1)煤層傾角的變化會引起上下幫高應力區煤巖成分的改變,煤巖組成成分的改變會影響到煤巖的抗壓強度和沖擊變形能指數,進而影響兩幫應力值。隨著煤層傾角增大,下幫應力峰值靠近頂板,上幫應力高峰區靠近底板;傾斜煤層的下幫應力高于上幫應力;兩側支承壓力峰值與巷幫距離減小,但應力值增加。

(2)傾斜煤層常采用的梯形巷道減小了下幫高應力區與巷幫距離,增加了下幫的應力值。

(3)對于現場進行卸壓防沖時,應當充分考慮到煤層傾角和巷道形狀對應力分布的影響,相關研究可為類似條件煤礦防沖提供借鑒意義。

[1] 吳海.深部傾斜巖層巷道非均稱變形演化規律及穩定控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,2014

[2] 孟憲銳,問榮鋒等.千米深井大傾角煤層綜放采場礦壓顯現實測研究[J].煤炭科學技術,2007(11)

[3] 趙國宏,苑龍峰.深部厚煤層俯斜大傾角綜放開采技術[J].中國煤炭,2013(12)

[4] 衡多,王鵬翔等.大傾角煤層沿空掘巷煤柱留設尺寸探究與應用[J].中國煤炭,2015(4)

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[6] 竇林名,陸菜平等.組合煤巖沖擊傾向性特性試驗研究[J].采礦與安全工程學報,2006(1)

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[8] 趙陽升,梁純升,劉成丹.鉆屑法測量圍巖壓力的探索[J].巖土工程學報,1987(2)

[9] 竇林名,何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社,2001

(責任編輯 張毅玲)

山西省將建立煤炭資源稅監控體系

日前,山西省政府發布的《關于進一步加強煤炭資源稅征收管理的實施細則》(以下簡稱《細則》)提出,山西省將建立全省煤炭資源稅監控體系,2016年9月底前對95%以上資源稅實時監控。

山西省將煤炭資源稅作為地方稅收主體稅種和重點稅源,今年進一步加大征管力度,堅決防范和打擊偷逃煤炭資源稅行為。對納稅人自采原煤或者自采原煤用于連續生產洗選煤的,一律依法在開采地繳納資源稅。對企業生產銷售、納稅申報、稅款征收等各環節進行監控,逐戶逐月進行評估檢查和分析比對,密切跟蹤企業產銷和稅收進展情況,發現企業納稅異常情形,及時核查追繳稅款并向上級報告。

《細則》提出,要將煤炭資源稅繼續作為山西省地稅2016年重點稽查任務,開展持續檢查。對涉嫌偷逃煤炭資源稅的立案檢查,對偽造、變造、隱匿、擅自銷毀賬簿、記賬憑證,或者在賬簿上多列支出或者不列、少列收入,不申報納稅或者進行虛假納稅申報等偷逃資源稅行為的,一律嚴肅查處。其中,對涉嫌構成犯罪的及時移送公安機關,依法追究相關人員的刑事責任,并對典型案例和企業公開曝光,列入納稅信用記錄“黑名單”,維護依法誠信納稅煤炭企業的合法權益。對未按規定辦理稅款緩繳手續長期欠繳資源稅、欠繳資源稅稅額較大的煤炭企業,作為供給側改革去產能去庫存的重要參考依據之一。

Study on stress characteristics of roadway＇s sides in deep and inclined seam

Liu Jiangang1,Cao Anye2,3,Yu Zhongming1,Jing Guangcheng2,3,Liu Hongyang1
(1.Department of Mining Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui,Guizhou 553004,China; 2.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.State Key Laboratory of Coal Resourcesand Safe Mining,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Aim at the inclined seam,theoretical calculation and numerical simulation methods were used to study the influence of changes of seam＇s dip angle and roadway＇s sectional shape on stress characteristics of roadway＇s sides.Research results showed that the stress in high-side of roadway was high than that in low-side in inclined seam,the stress peak zone of low-side located near the roof while that of high-side near the floor.With the increasing of seam dip angle,the distance between bearing stress peak zone and roadway side became smaller,but the stress was increased;when the roadway section shape was trapezoid,the stress peak was smaller and so was the distance between bearing stress peak zone and roadway＇s low-side.For the roadway in the inclined seam,supporting and pressure relieving should be strengthened in low-side,the relieving holes of low-side should located near the roof while that of high-side near the floor.The reasonability of above results were verified by drillings.

inclined seam,seam roadway,surrounding rock stress,stress distribution,numerical simulation,rock burst

TD353

A

劉建剛(1988-),男,山東昌樂人,講師,碩士,2014年畢業于中國礦業大學,現在六盤水師范學院從事采礦工程專業的教學和科研工作。

采礦工程省級特色重點學科(黔學位合字ZDXK〔2015〕9號),國家自然科學基金青年科學基金項目(51204165),貴州省科技廳技術基金項目(黔科合LH字〔2015〕7619號)