斜溝礦高位回風(fēng)措施巷合理位置研究

劉宗柱

(西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝礦，山西 呂梁 033602)

·試驗(yàn)研究·

斜溝礦高位回風(fēng)措施巷合理位置研究

劉宗柱

(西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝礦，山西 呂梁 033602)

以斜溝礦18205高位回風(fēng)措施巷為工程背景，分析了影響工作面回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定的原因，提出了兩回風(fēng)巷合理間距確定原則，通過(guò)數(shù)值模擬方法確定了工作面回風(fēng)巷與高位回風(fēng)措施巷之間合理的水平間距應(yīng)大于15 m，綜合考慮高位回風(fēng)措施巷排放瓦斯效果，取合理水平間距為15 m.

高位回風(fēng)措施巷；合理間距；圍巖穩(wěn)定性

高瓦斯工作面中高位偏E型通風(fēng)是解決高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限的有效措施，高位回風(fēng)措施巷與工作面回風(fēng)巷的水平間距是決定排除工作面回風(fēng)巷采空區(qū)中瓦斯量以及上隅角瓦斯治理效果的決定性因素，水平間距越小瓦斯治理效果越好，但回風(fēng)巷受高位回風(fēng)措施巷的工程擾動(dòng)越嚴(yán)重。因此，在通風(fēng)和頂板管理這對(duì)矛盾體中尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，有著重要的意義。

1 工程概況

斜溝礦18205工作面屬于高瓦斯工作面，工作面材料巷為回風(fēng)巷，為解決工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題，掘送了高位回風(fēng)措施巷。高位回風(fēng)措施巷掘送后導(dǎo)致材料巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，材料巷頂板錨桿、錨索斷裂，頂板下沉、底板鼓起。工程概況見(jiàn)圖1.

圖1 工程概況圖

2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)礦壓顯現(xiàn)最為強(qiáng)烈的里程1 200～1 300 m，采取了鋼帶錨索+注漿的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，為研究確定頂板巖層離層破碎情況及頂板維護(hù)效果，在里程1 250 m處對(duì)頂板巖層進(jìn)行了窺視，并于里程1 220 m、1 250 m和1 280 m布置了3個(gè)錨索測(cè)力計(jì)測(cè)點(diǎn)。

1) 頂板窺視結(jié)果。

頂板窺視情況見(jiàn)圖2.

圖2 頂板窺視圖

材料巷頂板錨桿支護(hù)采用規(guī)格d22 mm×2 600 mm的高強(qiáng)度錨桿，由圖2可知，受高位回風(fēng)措施巷掘進(jìn)擾動(dòng)影響，材料巷頂板錨桿錨固范圍內(nèi)100～260 mm、400～600 mm、1 324 mm、2 000～2 240 mm頂板破碎離層嚴(yán)重，2 000～2 240 mm處最大離層量為15 mm.

2) 測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

錨索測(cè)力計(jì)變化曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖3. 由圖3可知，3個(gè)錨索測(cè)力計(jì)，測(cè)力值處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果良好，注漿液將破碎巖體黏合成整體，將離層間隙充填，抑制了巖層向深部的進(jìn)一步離層破碎，錨索支護(hù)將淺部破碎巖體整體懸吊于頂板深部穩(wěn)定巖層，確保了材料巷頂板安全。

圖3 錨索測(cè)力計(jì)變化曲線(xiàn)圖

3 圍巖破壞原因分析

1) 圍巖力學(xué)性質(zhì)。

材料巷2 350 m處巷道頂板和兩幫煤巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，圖5. 由圖4，5可以看出：

a) 頂板泥巖的平均強(qiáng)度為40.07 MPa，泥質(zhì)砂巖的強(qiáng)度為27.61 MPa，泥巖平均強(qiáng)度為41.65 MPa，中砂巖的強(qiáng)度為65.4 MPa，巷道頂板直接控制巖層對(duì)象為泥巖，強(qiáng)度為40.67 MPa，屬于Ⅲ類(lèi)中等穩(wěn)定巖層頂板。

b) 由于直接頂巖層厚度薄，其上部為砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖，平均強(qiáng)度為27.61 MPa，厚度大，而且強(qiáng)度也比較低，不利于巷道頂板圍巖穩(wěn)定。

c) 幫部煤體的平均強(qiáng)度為17.77 MPa，不同深度強(qiáng)度測(cè)試值波動(dòng)范圍較小，說(shuō)明煤體中裂隙發(fā)育程度低，有利于幫部的穩(wěn)定。

圖4 材料巷頂板巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

圖5 材料幫部煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

2) 圍巖應(yīng)力環(huán)境。

在12采區(qū)，地應(yīng)力場(chǎng)呈σv>σH>σh型，對(duì)于該種類(lèi)型地應(yīng)力場(chǎng)巷道最佳布置方式為巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向垂直，測(cè)試結(jié)果顯示最大水平主應(yīng)力方向呈北偏西向，介于N14.3°W～N35.4°W，巷道同最大水平主應(yīng)力方向并不垂直，巷道的穩(wěn)定性將要受到最大水平主應(yīng)力的影響。加之高位回風(fēng)措施巷的工程擾動(dòng)影響，材料巷圍巖穩(wěn)定性更不易于保證。

4 合理位置研究

1) 巷道間距確定原則[1,3].

巷道開(kāi)挖后，圍巖中應(yīng)力重新分布，在巷道周?chē)纬善扑閰^(qū)、塑性區(qū)和彈性應(yīng)力區(qū)，三區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)力分布狀況為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，塑性區(qū)中切向應(yīng)力σθ，彈性區(qū)中切向應(yīng)力σθe分別如下：

(適用范圍a≤r≤R0)

(適用范圍R0≤r≤∞)

式中：

σθ—塑性區(qū)切應(yīng)力，Pa;

σθe—彈性區(qū)切應(yīng)力，Pa;

p0—原巖應(yīng)力，Pa;

pi—支架反力，N;

a—巷道半徑，m;

c—黏聚力，Pa;

φ—內(nèi)摩擦角，(°);

r—距巷道中心的距離，m;

R0—塑性區(qū)半徑，m.

相距為X的兩巷道開(kāi)挖后，兩巷道圍巖應(yīng)力疊加，X的大小直接影響應(yīng)力疊加結(jié)果，從而影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。

巷道1：

(適用范圍a≤r≤R0塑性區(qū))

(適用范圍R0≤r≤R0彈性區(qū))

巷道2：

(適用范圍(X-R0)≤r≤(X-a)塑性區(qū))

(適用范圍R0≤r≤(X-R0)彈性區(qū))

應(yīng)力曲線(xiàn)疊加圖見(jiàn)圖6.

圖6 應(yīng)力曲線(xiàn)疊加圖

由計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)力疊加后會(huì)出現(xiàn)“單峰”、“平臺(tái)”和“雙峰”6種情況，在巷道空間位置允許條件下應(yīng)首選“雙峰”間距，其次為“平臺(tái)”間距。

2) 巷道合理位置確定。

結(jié)合斜溝礦18205工作面地質(zhì)條件，采用通用離散元軟件UDEC4.0，分析兩巷道不同間距條件下，應(yīng)力疊加結(jié)果及回風(fēng)巷圍巖變形量，從而確定兩巷道間的合理水平間距，數(shù)值計(jì)算模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平固定，數(shù)值模擬模型采用摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則[2,4]，模型總體尺寸為寬100 m×高46.94 m，上邊界載荷按煤層埋藏深度500 m計(jì)算。不同間距下垂直應(yīng)力疊加形態(tài)圖見(jiàn)圖7.

由模擬結(jié)果可知，兩巷道相距大于15 m時(shí)，兩巷間圍巖垂直應(yīng)力疊加結(jié)果為16 MPa；兩巷道之間相距12 m和8 m時(shí)，兩巷間圍巖垂直應(yīng)力疊加結(jié)果為18 MPa，較15 m和20 m時(shí)高出2 MPa，兩巷相互擾動(dòng)嚴(yán)重；兩巷道相距3 m時(shí)，兩巷間圍巖垂直應(yīng)力為8 MPa，小于原巖應(yīng)力12.5 MPa，兩巷應(yīng)力疊加后形成“單峰”形態(tài)，高圍巖應(yīng)力已達(dá)到巖體的極限屈服強(qiáng)度，兩巷道間圍巖巖體發(fā)生塑性變形破壞。不同間距回風(fēng)巷圍巖變形曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖8.

由圖8可知，當(dāng)兩巷水平間距大于8 m時(shí)，兩巷間距對(duì)底板圍巖擾動(dòng)基本不變；當(dāng)兩巷水平間距大于15 m時(shí)，巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定。因此，高位回風(fēng)措施巷與工作面回風(fēng)巷的合理水平間距應(yīng)大于15 m，考慮到高位回風(fēng)措施巷排放上隅角瓦斯的最佳水平間距為8～15 m，綜上分析高位措施巷合理間距應(yīng)取15 m.

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)分析巷道圍巖強(qiáng)度及圍巖中應(yīng)力的主要分布形態(tài)，得出圍巖強(qiáng)度低及巷道布置方向、最大主應(yīng)力不垂直以及采動(dòng)影響是工作面回風(fēng)巷圍巖破碎的主要原因。

2) 研究確定了兩巷道開(kāi)挖后應(yīng)力相互疊加3種形態(tài)，確定了巷道合理間距的確定原則。

3) 依托18205工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算確定了兩巷道間合理水平間距應(yīng)大于15 m，綜合考慮高位回風(fēng)措施巷排放瓦斯效果，最終確定12采區(qū)工作面高位回風(fēng)措施巷與工作面回風(fēng)巷之間的合理水平間距為15 m.

圖7 不同間距下垂直應(yīng)力疊加形態(tài)圖

圖8 不同間距回風(fēng)巷圍巖變形曲線(xiàn)圖

[1] 周 勇，王金安.西部極松軟圍巖條件下大斷面巷道合理間距研究[J].煤礦安全,2016,9(43)：89-92.

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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

劉宗柱(1986—)，男，河北吳橋人，2014年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事礦井開(kāi)采工作

(E-mail)liuzongzhuzi@163.com

TD353

B

1672-0652(2017)11-0048-04