第３期 赵杰 李胜利 任卫兵等采动条件下底板巷道矿压显现规律研究 ２１ 采动条件下底板巷道矿压 显现规律研究 赵杰 ，李胜利 ，任卫兵。，黄飞。 ０４６６０５； ２３２００１） （１．淮南矿业集团谢家集一矿，安徽淮南２３２００１；２．晋城煤业集团赵庄矿二号井，山西长治３．安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南摘要：针对谢一煤矿地质条件，运用ｆｌａｃ３ｄ数值模拟、平面相似材料模拟研究了底板巷道在上覆 工作面采动影响下矿压显现规律；综合两种研究手段得出的结果，更全面的给出了采动对底板巷道 影响规律，对煤矿的底板巷道的围岩控制及安全高效生产具有参考价值。 关键词：数值模拟；相似材料；底板巷道；矿压显现 中图分类号：ＴＤ３２２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—７４９Ｘ（２０１３）０３—００２１—０３ 全位移固定约束，上边界采用应力加载。模型开挖 区域四周均留８０ ｍ煤柱。数值模拟中岩石力学参 数如表１所示。模型每步开挖２０ ｍ，共推进３４０ ｍ。 表１模型的岩石力学参数 Ｏ 引言 谢一煤矿位于安徽省淮南市蔡家岗，采用斜井 开拓方式，年生产能力３００万ｔ左右。该矿井Ｂ７煤 层赋存较稳定，煤层平均厚约４．０ ｍ，平均倾角２１。， Ｂ７煤层中发育有１—３层炭质泥岩夹矸且不稳定， 上覆４２６（７）２Ｂ８工作面已回采完毕，本工作面上部 有较长范围处于上覆Ｂ８煤层阶段煤柱实垛下方， 工作面内无压茬关系。 一６６０南运道、一７２０Ｂ４底板巷与煤层走向平 行，距４２７１Ｂ７工作面垂距为５０～６０ ｍ；一６６０南运 道距４２７１Ｂ７风巷水平距离为３０—６０ ｍ，一７２０Ｂ４ 底板巷距４２７１Ｂ７机巷水平距离为３５ｍ左右。结合 谢一煤矿地质条件研究采动条件下底板巷道矿压显 现规律对巷道的合理维护，促进煤矿安全高效生产 具有一定的实用价值。 １．２测站布置 图１为模型测站布置图。开切眼前方１２０ ｍ 处，在一６６０ ｍ南运道及一７２０ ｍＢ４底板巷布置１ 、 ２ 测站，监测巷道围岩应力变化情况。 １数值模拟研究 １．１模型的建立 数值模型大小为（长×宽×高）＝５００ ｍ ｘ ３５０ ｍ×２２６ ｍ，共划分为１７７８００个单元体，１８５９４６个节 点；模型四面采用水平位移固定约束，模型下边界为 收稿日期：２ｏ１２—１１一Ｏｌ 作者简介：赵杰（１９７７一），男，贵州遵义人，２ＯＯ１年毕业于安徽理 工大学，工程师，主要从事掘进技术和矿井生产准备管理工作。 图１测站布置图 ２２ 陕西煤炭 １．３结果分析 随４２７１Ｂ７工作面推进，受上覆工作面支承压 力影响，南运道围岩应力产生周期性升降。初始情 况下巷道左帮、右帮应力值分别为２３．６ ＭＰａ、２２．７ ＭＰａ；工作面距离巷道测点８０ １ＴＩ时，测点围岩垂直 应力开始逐渐增大；工作面推进至距测点２０ ｍ时， 测点围岩垂直应力达到峰值，左帮、右帮应力值分别 为２６．５ ＭＰａ、２５．７ ＭＰａ；工作面推过测点４０ ｉｎ时， 测点处围岩应力卸压最显著，应力值达到最小值，左 帮、右帮应力值分别为１５．７ ＭＰａ、１３．９ ＭＰａ；工作面 继续回采，采空区顶板下沉压实，测点处围岩应力得 以逐步恢复；工作面推过测点１４０ ｍ时，测点处围岩 应力恢复速度开始减缓，应力值逐步趋于平稳；工作 面推过测点２２０ ｎｑ时停采，测点围岩左帮、右帮应力 值分别为２０．５ ＭＰａ、１７．３ ＭＰａ。 南运道受上覆４２７１Ｂ７工作面采动支承压力影 响规律为：①超前影响距离为８０ Ｉｎ；②超前明显影 响范围为６０—２０ ＩＴＩ，巷道围岩应力集中系数最大为 １．１３；③卸压明显影响范围为２０～一４０ ｍ，巷道围 岩应力集中系数最小为０．６１；④采空区应力恢复距 离为一４０～一１４０ ｉｎ，停采时巷道围岩应力集中系数 为０．７６。 如图２所示，Ｂ４底板巷初始情况下左帮、右帮 应力值分别为１９．６ ＭＰａ、２４．５ ＭＰａ；工作面距离巷 道测点８０ １１１时，测点围岩垂直应力开始逐渐增大； 工作面推进至距测点２０ Ｉｎ时，测点围岩垂直应力达 到最大，左帮、右帮应力值分别为２１．２ ＭＰａ、２６．９ ＭＰａ；工作面继续推进，测点处围岩应力逐步降低， 进人工作面卸压影响范围；工作面推过测点６０ Ｉｎ 时，测点处围岩应力卸压最显著，应力值达到最小 值，左帮、右帮应力值分别为７．９ ＭＰａ、１３．１ ＭＰａ；工 作面继续回采，采空区顶板下沉压实，测点处围岩应 力得以逐步恢复；工作面推过测点１４０ Ｉｎ时，测点处 围岩应力恢复速度开始减缓，应力值逐步趋于平稳； 工作面推过测点２２０ ｍ时停采，测点围岩左帮、右帮 应力值分别为９．５ ＭＰａ、１４．２ ＭＰａ。 Ｂ４底板巷受上覆４２７１ Ｂ７工作面采动支承压力 影响规律为：①超前影响距离为８０ ｉｎ；②明显影响 范围为６０～２０ ｍ，巷道围岩应力集中系数最大为 １．１１；③卸压明显影响范围为２０～一６０ Ｉｎ，巷道围 岩应力集中系数最小为０．４０；④采空区应力恢复距 离为一６０～一１４０ ｎｌ，停采时巷道围岩应力集中系数 为０．５１。 ＪＩ＾（：姒｛ ３ ００ 一－， １ ． ．１ Ｉ ：帮乖 鹰 ． Ｌ． 一 ８０ｍ Ｉ 、１ ．【ｌ 一， 。２８（）ｍ ４２７１８７ ｌ ：ｆｆ【ｉ 采距离 一．— 一 图２ ４２７１Ｂ７工作面回采过程中 Ｂ４底板巷围岩应力曲线 ２相似模拟研究 ］ ２．１模型设计及测点布置 实验平台（长×宽×高）＝２ １ＴＩ×０．２ ｍ ｘ ２ １ＴＩ， 考虑到模型边界效应的影响，本次相似模型有效模 拟为１．２ Ｉｎ×０．２ ＩＴＩ×２ １ＴＩ，相似比取１：１００。 对于模型中未能模拟的上覆岩层重量，采用加 载的方法来模拟，则模型上需施加的重力补偿载荷 经相关公式计算为７９．３５ ｋＰａ，整个模型共需补偿载 荷为３１．７４ ｋＮ。 模型如图３所示，共设计３条实验巷道，其中中 间那条为对比巷道。在煤层底板５ ｃｍ、１０ ｃｍ和６０ ｃｍ垂深处各布置一条应力测线。在底板巷道中心 水平距离５ ｃｍ和１０ ＣＩＩ１各布置一个微型压力盒。 模型左右两侧各留煤柱４０ Ｃｎｌ，至右向左每步开挖 １０ ｃｍ，共开挖１２０ ｃｍ。 图３相似模拟模型设计图 ２．２模拟结果分析 底板不同深度处应力变化规律：如图４所示，① 第３期 赵 杰 李胜利 任卫兵等采动条件下底板巷道矿压显现规律研究 工作面正常推进过程中，在工作面前方６０ ｍ处，煤 层底板应力开始增大，工作面前方４０ ｍ处底板５ ｒｎ 和１０ ｍ应力曲线斜率急剧增加，工作面前方１０ ｍ 处为应力峰值点。在工作面后方采空区底板岩体应 力低于原岩应力。在工作面后方４０ １１１处采空区底 板应力开始逐步回升，工作面后方８０ ｍ处，底板应 力趋于稳定。煤层底板应力受采动影响最敏感的区 域在工作面前后４０ ｍ范围内；②距离煤层底板不同 深度处应力集中与卸压程度不同；愈靠近煤层底板 岩层内应力集中与卸载程度愈大，愈远离煤层底板 岩层内应力集中与卸载程度愈小。工作面前方４０ ｍ内，距煤层底板５ ｍ和１０ ｍ处底板岩层的应力集 中较明显，应力峰值分别为３２．２ ＭＰａ和２８．１ ＭＰａ， 应力集中系数分别为２．４６和２．１５；在工作面后方 ４０ ｍ内采空区底板岩层５ ｍ和１０ ｉｎ处的卸载程度 较大。底板６０ ｍ处岩层的应力集中程度较小，应力 峰值为１５．４ ＭＰａ左右，应力集中系数约为１．１８。 在工作面后方其卸载程度也较小，岩层中的应力接 近原岩应力。 — 厂！：丝匝煎 ——一 ＿、１ ０ —６Ｏ — ｏ — ｏ 距工作诅ｆ６ 距离／ｍ ０ ０ ６０ ０ — ５ｍ—－＿ｌ ０［１１ １ ５ｍ 图４底板不同深度应力分布 底板巷道围岩应力场变化规律：如图５所示， 三条巷道受上覆煤层采动影响帮部垂直应力变化趋 势较一致。工作面距测点６０～２０ ｍ时应力变化较 小，应力增量为１ ＭＰａ左右。至２０ ｍ左右时受超前 支承压力的影响应力开始有明显增大趋势，距工作 面１０ ｍ处时曲线出现峰值点，一６６０ ｍ南运道、一 ７２０ ｍ底板巷、对比巷道的应力峰值分别为１７ ＭＰａ、 １８ ＭＰａ和１７．６ ＭＰａ，应力集中系数分别为１．３２、 １．３８和１．３６。工作面推进至测点后方时，底板巷道 处于应力释放区域，应力明显降低，应力最小值均在 ９ ＭＰａ左右。随着工作面继续向前推进，冒落矸石 开始逐渐充填采空区，底板应力逐渐进入恢复过程； 工作面推进至测点后方约３０～６０ ｍ范围内时ｉ贝０点 应力呈缓慢增大趋势，６０ ｍ处应力值为ｌ２．３ ＭＰａ 左右。 图５巷帮垂直应力变化曲线图 ３ 结论 综合数值模拟与相似模拟得到的结果，得出如 下结论。 （１）４２７１Ｂ７工作面对底板垂深６０ ｒｎ处巷道影 响规律为：超前影响距离为８０ Ｉｌｌ；超前明显影响范 围为６０—２０ ｍ，巷道围岩应力集中系数最大为１．１ ～１．３左右；卸压明显影响范围为２０一一４０ ｍ，巷道 围岩应力集中系数最小为０．４—０．６左右；采空区应 力恢复距离为一４０一一１４０ ｍ，停采时巷道围岩应力 集中系数仍小于原岩应力值。 （２）工作面底板不同深度处应力变化规律：距 离煤层底板不同深度处应力集中与卸压程度不同； 愈靠近煤层底板岩层内应力集中与卸载程度愈大， 即受采动影响愈剧烈。工作面前方４０ ｒｎ内，距煤层 底板５ ｍ和１０ ｍ处底板岩层的应力集中较明显，应 力峰值分别为３２．２ ＭＰａ和２８．１ ＭＰａ，应力集中系 数分别为２．４６和２．１５；在工作面后方４０ ｒｎ内采空 区底板岩层５ ｍ和１０ ｍ处的卸载程度较大。底板 ６０ Ｉｎ处岩层的应力集中程度较小，应力峰值为１５．４ ＭＰａ左右，应力集中系数约为１．１８。在工作面后方 其卸载程度也较小，岩层中的应力接近原岩应力。 参考文献： ［１］ 林峰．煤层底板应力分布的相似材料分析［Ｊ］．淮 南矿业学院学报，１９９０，１０（３）：１９－２７． ［２］ 张华磊．采场底板应力传播规律及其对底板巷道 稳定性影响研究［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２０１１．
