高抽巷圍巖應力場特征及位置優化

邵廣印

（淮南礦業集團 謝橋煤礦，安徽 阜陽 236221）

淮南礦業集團謝橋煤礦煤層瓦斯賦存量高，局部有突出危險性。尤其是隨著開采深度和開采強度的不斷加大，瓦斯涌出量也逐漸增大[1]。因此，在回采巷道掘進時，往往需要布置相應的高（底）抽巷掩護順槽掘進，在高（底）抽巷布置鉆場，向順槽方向布置抽采鉆孔，超前抽采瓦斯，待瓦斯濃度降低到允許濃度后，再掘進順槽，工作面一般為典型的一面四巷布置[2]。

高抽巷作為沿空留巷Y型通風系統的回風巷道，除了受到掘進期間的工程擾動外，還將承受工作面回采的強動壓影響[3]，對比研究高抽巷圍巖采動前后的應力場及高抽巷圍巖破壞特征，是進一步研究動壓影響下高抽巷圍巖控制技術的基礎[4]。

1 工程地質概況

謝橋礦某工作面煤層平均厚度1.20 m，工作面標高－662.0～－636.5 m。煤層頂板和底板均為泥巖和砂質泥巖。為解決瓦斯涌出量較大、防止煤與瓦斯突出等，工作面軌道順槽、運輸順槽上方均布置高抽巷，平距為25 m，高抽巷外錯，法距為15～35 m，層位關系圖如圖1所示。

圖1 巷道層位關系示意圖

2 UDEC數值模擬

采用UDEC數值模擬軟件建立軌道順槽和軌道順槽高抽巷計算模型，考慮模型邊界效應及計算效率，模型幾何尺寸選為高×寬＝127 m×220 m，工作面實際長度為220 m，在模型中開挖107 m。

根據地應力測試結果，在上邊界施加17.12 MPa應力，模型左、右及下邊界巖面出現約束法向位移。

2.1 掘進期間巷道垂直應力

掘進期間的巷道垂直應力場如圖2所示。

圖2 掘進期間巷道垂直應力場云圖

圖3 回采期間巷道垂直應力場云圖

由圖2可知，在平距為25 m、法距為27 m的情況下，巷道掘進期間高抽巷與軌道順槽的垂直應力場沒有疊加形成應力增高區，避開了相互之間的開掘擾動，高抽巷回采側垂直應力峰值達到27.8 MPa，應力集中系數為1.51，非回采側垂直應力峰值達到31 MPa，應力集中系數為1.68，非回采側與回采側應力分布基本相同，也說明高抽巷基本處于軌順開挖影響范圍之外，應力顯著增加的區域在應力峰值向外2 m，2～15 m區域應力緩慢減小，在15 m以外進入原巖應力區。

2.2 回采期間巷道垂直應力

回采期間的巷道垂直應力場如圖3所示。

由圖3可知，在軌道順槽與軌道順槽高抽巷中間位置出現應力集中區，應力集中達到44 MPa，此位置距離高抽巷底板約5 m，距離高抽巷回采側幫8 m，距離軌順頂板11.6 m，距離軌順非回采側幫12 m。同時在應力集中區的左上角出現了應力降低區，最小應力達13 MPa，此區域面積約為22.3 m2，最小應力值點和應力集中最大值點基本處于同一高度，水平方向向左偏移4 m，距離高抽巷底板約5 m，距離高抽巷回采側幫12 m，距離軌順頂板11.6 m，距離軌順非回采側幫8 m。

采動結束后，高抽巷兩幫最大應力值達31 MPa，應力集中系數達1.68，從應力增量范圍和數值大小來看，回采側受到的采動影響大于非回采側。高抽巷回采側應力增量最大值達5 MPa，峰值在距離巷幫8.5 m深的基巖內。0～3 m范圍內，應力增量波動；3～8.5 m深的范圍內，隨著深度的增加，應力增量增大；8.5 m以深部基巖，應力增量逐漸變小。非回采側應力增量最大值達2.9 MPa，峰值在距離巷幫3 m深的基巖內，0～3 m范圍內，應力隨深度的增加而增大，3 m以深部基巖，應力增量隨深度增加而減小。

3 巷道位置優化

采用UDEC數值模擬軟件，建立模型方法同上節。高抽巷的法距取為25 m，平距分別為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時巷道的塑性區。由于巷道頂板及兩幫有U型棚及錨索支護，故塑性區較小，各方案的區別較小，因此著重對巷道的底板破壞進行比較分析。模擬結果數據整理如圖4所示。

由圖4可知，在巷道掘進期間，高抽巷處于圖通位置時，頂底板、兩幫移近量基本相同，說明高抽巷取不同的平距對巷道掘進期間巷道的變形量并沒有明顯影響。巷道掘進期間，隨著巷道平距的變大，巷道兩幫呈微弱的減小趨勢，均值為147 mm，頂底板出現微弱的變大趨勢，均值為356 mm，但趨勢都不明顯。

在工作面回采期間，由于動壓影響，高抽巷取不同的平距，巷道的變形區別較大，隨著平距的增大，巷道變形基本呈顯著變小的趨勢。現以平距為25 m的收斂量為基準進行分析，平距為20 m時，頂底移近為基準的1.15倍，兩幫移近量為基準的1.47倍，變形量與基準相差不大；平距為10～15 m時，巷道變形為基準的1.5～1.8；平距為0～10 m時，巷道變形為基準的2倍以上。

4 結論

經論述，得出以下2點結論：①平距∈[0 m，28 m]、法距∈[0 m，17 m]的大致矩形區域為強動壓影響區，高抽巷的布置應該避開此區域；②工作面軌道順槽高抽巷的平距為25 m，法距為15～35 m，基本避開了強動壓影響區，但法距為15～20 m的巷段處于強動壓影響區邊緣，因此在類似工程中可將法距調整為20～35 m。

圖4 不同位置高抽巷變形比較