史慶穩(wěn)(煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

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特厚煤層中掘進(jìn)巷道過(guò)聯(lián)絡(luò)巷期間巷道圍巖活動(dòng)規(guī)律研究?

史慶穩(wěn)
(煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

摘 要針對(duì)陜西某礦掘進(jìn)巷道過(guò)聯(lián)絡(luò)巷期間發(fā)生的礦壓異?，F(xiàn)象,基于現(xiàn)場(chǎng)異常礦壓觀測(cè)情況,利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)特厚煤層中掘進(jìn)巷道穿聯(lián)絡(luò)巷過(guò)程中不同時(shí)期巷道圍巖應(yīng)力分布演化特征進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析,并結(jié)合SOS微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)巷道圍巖微震活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在特厚煤層中掘進(jìn)巷道穿聯(lián)絡(luò)巷過(guò)程中穿聯(lián)絡(luò)巷的巷道圍巖沖擊危險(xiǎn)性呈現(xiàn)“升高—降低—升高—降低”的演化規(guī)律,并據(jù)此將巷道圍巖應(yīng)力分布演化過(guò)程近似劃分為5個(gè)具有不同應(yīng)力特點(diǎn)的階段。

關(guān)鍵詞特厚煤層 掘進(jìn)巷道 聯(lián)絡(luò)巷 沖擊危險(xiǎn)性 數(shù)值計(jì)算 微震監(jiān)測(cè)

陜西某礦井在開(kāi)拓過(guò)程中,迫于礦井復(fù)雜的地質(zhì)條件不可避免地在平行巷道間布置了諸多聯(lián)絡(luò)巷用于通風(fēng)、運(yùn)料、行人等,因而在礦井的掘進(jìn)或生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)聯(lián)絡(luò)巷成為礦井的常態(tài)。根據(jù)礦山壓力理論,巷道開(kāi)挖完成后將在巷道的兩側(cè)形成一定寬度的側(cè)向支承壓力分布區(qū)和小范圍的巷道卸壓區(qū),從而使得聯(lián)絡(luò)巷圍巖應(yīng)力分布趨于復(fù)雜,而巷道交叉處圍巖應(yīng)力高度集中進(jìn)一步導(dǎo)致局部靜載荷水平升高,過(guò)薄的底板煤層導(dǎo)致底板抗沖能力較弱,掘進(jìn)工作面的施工也會(huì)對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生持續(xù)的動(dòng)力擾動(dòng),這些不利因素的累加將使該礦井的聯(lián)絡(luò)巷巷道圍巖沖擊危險(xiǎn)性大為增加,故而掌握掘進(jìn)巷道過(guò)聯(lián)巷時(shí)圍巖活動(dòng)規(guī)律對(duì)于防治沖擊地壓、保障礦井安全生產(chǎn)具有重大意義?；诖?本文針對(duì)該礦中央一號(hào)輔運(yùn)大巷過(guò)4＃聯(lián)絡(luò)巷期間的礦壓異?，F(xiàn)象,對(duì)特厚煤層中掘進(jìn)巷道過(guò)聯(lián)絡(luò)巷期間的圍巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬分析及微震監(jiān)測(cè)研究。

1　工程背景

陜西某礦主采煤層經(jīng)鑒定具有強(qiáng)沖擊傾向性,礦井開(kāi)拓大巷共布置5條巷道,均為全煤巷道。在中央帶式輸送機(jī)大巷和中央一號(hào)回風(fēng)大巷約1380 m處、兩大巷之間設(shè)置有4＃聯(lián)絡(luò)巷,該聯(lián)絡(luò)巷處煤層厚度約為25m,埋深650～680m,斷面設(shè)計(jì)為與大巷斷面相同的直墻拱形,巷寬5.5m,直墻高度1.8m。2015年7月,中央一號(hào)輔運(yùn)大巷按計(jì)劃掘進(jìn)至4＃聯(lián)絡(luò)巷附近,根據(jù)礦井實(shí)測(cè)資料,中央一號(hào)輔運(yùn)大巷與4＃聯(lián)絡(luò)巷交叉處僅留有不足4 m的間隔煤柱,如圖1所示。

圖1　中央一號(hào)輔運(yùn)大巷與4＃聯(lián)絡(luò)巷相對(duì)位置關(guān)系

2　過(guò)巷期間圍巖應(yīng)力演化數(shù)值模擬分析

為考察中央一號(hào)輔運(yùn)大巷穿4＃聯(lián)絡(luò)巷期間巷道圍巖應(yīng)力分布演化規(guī)律,采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)過(guò)程中不同時(shí)期巷道圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

2.1計(jì)算模型

為使模擬結(jié)果貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,計(jì)算模型各物理力學(xué)參數(shù)均參考煤巖體實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行賦值,模型中水平應(yīng)力設(shè)置為垂直應(yīng)力的1.5倍,方向垂直于中央一號(hào)輔運(yùn)大巷。模擬巷道埋深為670m,由于模擬分析的對(duì)象為巷道不同空間關(guān)系對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布的影響,故可將巷道支護(hù)及巷道斷面形狀視為次要條件,在模型中不對(duì)巷道做支護(hù)處理并將巷道取為矩形,巷寬6m,巷高5 m。模型采用的各物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

計(jì)算模型采用摩爾－庫(kù)倫(Mohr－Coulomb)本構(gòu)模型,模型側(cè)面邊界限制水平移動(dòng),底面邊界限制垂直移動(dòng);模型尺寸為120m×50m×65m(長(zhǎng)×寬×高),采用不等分劃分,巷道淺部圍巖網(wǎng)格加密,整個(gè)模型共劃分為443772個(gè)計(jì)算單元。

2.2模擬方案

模擬將貫穿掘進(jìn)工作面靠近4＃聯(lián)絡(luò)巷并從其底板煤層穿過(guò)的全過(guò)程,著重分析中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面圍巖及4＃聯(lián)絡(luò)巷圍巖垂直應(yīng)力的演化規(guī)律及其對(duì)圍巖沖擊危險(xiǎn)性的影響。在計(jì)算模型中,先模擬恢復(fù)大巷圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài),然后依次進(jìn)行開(kāi)挖,實(shí)現(xiàn)當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面距離4＃聯(lián)絡(luò)巷55m、50m等不同距離并最終逐漸穿過(guò)、遠(yuǎn)離4＃聯(lián)絡(luò)巷(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)巷)時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)。

表1　模型巖性參數(shù)

2.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

中央一號(hào)輔運(yùn)大巷穿聯(lián)巷的模擬計(jì)算過(guò)程中,巷道圍巖應(yīng)力分布各階段呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn),根據(jù)這些特點(diǎn)可近似將該過(guò)程劃分為5個(gè)階段:東側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段、聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段、聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段、聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段、西側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段。

2.3.1東側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷距離4＃聯(lián)巷55m時(shí),兩條巷道支承壓力區(qū)尚未疊加,兩巷之間存在一定范圍的原巖應(yīng)力區(qū),此時(shí)即為東側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段,該階段中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面前方最大應(yīng)力集中系數(shù)約為1.22。此外,聯(lián)巷的開(kāi)挖導(dǎo)致聯(lián)巷底板出現(xiàn)了以聯(lián)絡(luò)巷為對(duì)稱軸的卸壓區(qū)域。

2.3.2聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段

當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷繼續(xù)掘進(jìn)時(shí),掘進(jìn)工作面超前支承壓力區(qū)隨之前移,并逐漸與4＃聯(lián)絡(luò)巷東側(cè)側(cè)向支承壓力區(qū)疊加,該過(guò)程稱為聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷與4＃聯(lián)絡(luò)巷距離小于約50m后,由于支承壓力作用區(qū)相互疊加,兩巷間的原巖應(yīng)力區(qū)消失,掘進(jìn)工作面前方支承壓力峰值隨之上升導(dǎo)致該范圍內(nèi)沖擊危險(xiǎn)性大幅上升。

2.3.3聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段

4＃聯(lián)絡(luò)巷開(kāi)挖完成后,將在巷道底板一定深度內(nèi)形成塑性區(qū),由于塑性區(qū)煤體承載力微弱,當(dāng)掘進(jìn)工作面前方支承壓力作用到該塑性區(qū)范圍內(nèi)時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致支承壓力向塑性區(qū)外轉(zhuǎn)移從而使掘進(jìn)工作面前方區(qū)域得到大幅度的卸壓,該階段即為聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段。

對(duì)該階段巷道圍巖垂直應(yīng)力演化過(guò)程進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),在該礦地質(zhì)條件下,當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷與4＃聯(lián)絡(luò)巷距離小于10～15m后,輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面超前支承壓力迅速降低;而當(dāng)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面推進(jìn)至4＃聯(lián)絡(luò)巷東側(cè)邊緣的正下方時(shí)掘進(jìn)工作面超前支承壓力作用區(qū)完全位于4＃聯(lián)絡(luò)巷卸壓區(qū)的作用范圍內(nèi),輔運(yùn)大巷超前支承壓力受到更大程度的疏散;隨著掘進(jìn)工作面的持續(xù)推進(jìn),輔運(yùn)大巷超前支承壓力區(qū)部分地離開(kāi)4＃聯(lián)絡(luò)巷卸壓區(qū),掘進(jìn)工作面超前支承壓力區(qū)再次顯現(xiàn),其超前支承壓力區(qū)最大應(yīng)力集中系數(shù)約為1.09,依然處于較低的水平;當(dāng)輔運(yùn)大巷推進(jìn)至超前4＃聯(lián)絡(luò)巷約5 m的位置時(shí)掘進(jìn)工作面已基本離開(kāi)4＃聯(lián)巷卸壓區(qū),其超前支承壓力區(qū)最大應(yīng)力集中系數(shù)約為1.28,接近無(wú)聯(lián)巷影響時(shí)的應(yīng)力集中水平?？梢?jiàn)聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面超前支承壓力大小近似以4＃聯(lián)絡(luò)巷為對(duì)稱軸呈現(xiàn)出對(duì)稱變化的過(guò)程,先減小直至支承壓力形態(tài)完全消失,然后再逐漸增大直至恢復(fù)到無(wú)聯(lián)巷影響時(shí)的應(yīng)力集中水平。數(shù)值計(jì)算還發(fā)現(xiàn),輔運(yùn)大巷開(kāi)完后在巷道頂板煤層形成了明顯的卸壓區(qū),導(dǎo)致上方的聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的可能性大大降低。

2.3.4聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段

當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷穿過(guò)4＃聯(lián)絡(luò)巷卸壓區(qū)后將進(jìn)入聯(lián)巷西側(cè)的側(cè)向支承壓力作用區(qū),從而在聯(lián)巷西側(cè)再次形成應(yīng)力集中區(qū)域,即為聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘至超前4＃聯(lián)絡(luò)巷5～10m時(shí),掘進(jìn)工作面前方支承壓力峰值迅速上升并在兩巷相距10m時(shí)達(dá)到25.2MPa的極值。此后,隨著輔運(yùn)大巷漸漸掘離聯(lián)絡(luò)巷,掘進(jìn)工作面前方支承壓力即開(kāi)始緩慢回落。

兩巷距離大于20～25m后,中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面超前支承壓力已漸漸穩(wěn)定在22～2MPa,掘進(jìn)工作面逐漸進(jìn)入聯(lián)絡(luò)巷西側(cè)的原巖應(yīng)力區(qū),即為西側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段。

3　過(guò)巷期間微震活動(dòng)特征分析

微震是巖體破裂的萌生、發(fā)展、貫通等失穩(wěn)過(guò)程的動(dòng)力現(xiàn)象。微震監(jiān)測(cè)法就是采用微震網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)提供震源位置和發(fā)生時(shí)間來(lái)確定微震事件,并計(jì)算釋放的能量,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)微震活動(dòng)的強(qiáng)弱和頻率最終實(shí)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警。

圖2是中央一號(hào)輔運(yùn)大巷過(guò)聯(lián)巷前后巷道圍巖微震時(shí)序分布。在7月11日－8月19日的時(shí)間區(qū)間內(nèi),巷道圍巖微震事件日震動(dòng)能量近似以8月4日為軸呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特點(diǎn),結(jié)合中央一號(hào)輔運(yùn)大巷相對(duì)4＃聯(lián)絡(luò)巷距離變化可以發(fā)現(xiàn)巷道圍巖微震事件時(shí)序演化過(guò)程同樣可以近似劃分為5個(gè)階段,即東側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段(A)、聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段(B)、聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段(C)、聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段(D)、西側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段(E)。

由圖2可以看出,當(dāng)掘進(jìn)工作面與4＃聯(lián)絡(luò)巷的距離保持在約50m以上時(shí)為東側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段,兩巷支承壓力尚未相互作用,微震日震動(dòng)能量不超過(guò)105J;7月25日－8月2日隨著掘進(jìn)工作面超前支承壓力逐漸與聯(lián)絡(luò)巷東側(cè)側(cè)向支承壓力疊加,日震動(dòng)能量整體在震蕩中不斷走高,該階段為聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段;掘進(jìn)工作面逐漸進(jìn)入4＃聯(lián)絡(luò)巷卸壓區(qū)時(shí)即為聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段,應(yīng)力集中程度較之前有所緩解,微震日震動(dòng)能量和頻次均顯著下降;聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段掘進(jìn)工作面超前支承壓力推移進(jìn)入聯(lián)絡(luò)巷西側(cè)側(cè)向支承壓力分布區(qū),兩者壓力峰值再次疊加導(dǎo)致微震事件日震動(dòng)能量急劇增加,8月6日兩峰值疊加程度最為嚴(yán)重并使微震日震動(dòng)能量達(dá)到最大值;8月10日－8 月13日為西側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段,該階段由于掘進(jìn)工作面超前支承壓力漸漸遠(yuǎn)離4＃聯(lián)絡(luò)巷西側(cè)側(cè)向支承壓力的影響區(qū)域,應(yīng)力集中程度趨緩,導(dǎo)致微震事件日震動(dòng)能量大幅降低至與7月份近似相同的水平。

圖2　中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面圍巖微震時(shí)序分布

4　結(jié)論

(1)利用FLAC3D模擬分析了在特厚煤層中掘進(jìn)巷道過(guò)聯(lián)巷過(guò)程中巷道圍巖應(yīng)力分布的演化規(guī)律,并根據(jù)該過(guò)程中圍巖應(yīng)力分布所呈現(xiàn)出的不同特點(diǎn)將其劃分為東側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段、聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段、聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段、聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段、西側(cè)無(wú)聯(lián)巷影響階段等5個(gè)典型的階段,并分析了各階段巷道圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)。

(2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,掘進(jìn)巷道的開(kāi)挖將在巷道頂板也即聯(lián)絡(luò)巷所在層位形成長(zhǎng)度與掘進(jìn)巷道開(kāi)挖長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)男秹簠^(qū),該卸壓區(qū)的存在可使聯(lián)絡(luò)巷圍巖局部應(yīng)力得到疏散,從一定程度上有利于降低局部圍巖的沖擊危險(xiǎn)性。

(3)利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析了特厚煤層中掘進(jìn)巷道穿聯(lián)絡(luò)巷時(shí)巷道圍巖微震活動(dòng)時(shí)序分布規(guī)律,分析結(jié)果顯示,在該過(guò)程中巷道圍巖微震活動(dòng)規(guī)律與應(yīng)力分布演化規(guī)律基本一致,即隨著掘進(jìn)巷道和聯(lián)絡(luò)巷空間位置的變化,巷道圍巖沖擊危險(xiǎn)性呈現(xiàn)為升高—降低—升高—降低的規(guī)律。

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(責(zé)任編輯張毅玲)

Studyonmovinglawofroadwaysurroundingrocksduringextraction roadwaygoingacrossconnectingslotinextremelythickcoalseam

ShiQingwen
(CoalMining& DesigningBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Chaoyang,Beijing100013,China)

AbstractInviewoftheabnormalrockpressuresduringextractionroadwaygoingacross connectingslotinacoalmineinShaanxiprovince,andbasedonobservationconditionsofthe fieldrockpressure,thedistributionandevolutionarycharacteristicsofstressesinroadwaysurroundingrocksindifferentperiodsduringextractionroadwaygoingacrossconnectingslotinextremelythickcoalseamwereanalyzedandcalculatedbyfinitedifferencesoftwareFLAC3D,and microseismactivitieswerestudiedbycombiningwiththemonitoringresultsofSOSmicroseism system.Theresultsshowedthattheriskofrockburstinroadwaysurroundingrockswascharacterizedbyanup-down-up-downevolutionlawduringextractionroadwaygoingacrossconnecting slotinextremelythickcoalseam,andaccordingtothecharacteristics,thedistributionandevolutionaryprocessofstressesinroadwaysurroundingrockscouldbedividedinto5stageswhichhad differentstressescharacteristics.

Keywordsextremelythickcoalseam,extractionroadway,connectingslot,rockburst risk,numericalcalculation,microseism monitoring

中圖分類號(hào)TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51204097),天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ－2015－TDKC－11)

作者簡(jiǎn)介:史慶穩(wěn)(1989－),山東鄄城人,碩士研究生,主要從事煤礦沖擊地壓理論與防治技術(shù)的研究。