论文部分内容阅读
[摘 要]现阶段随着巷道开掘长度的增加，巷道由以前的岩石巷道逐渐向煤巷转变，煤层巷道存在巷道变形严重，支护困难的问题，巷道围岩受上区段工作面及本工作面采动影响严重，普通支护无法对巷道围岩起到良好的支护作用，通过对围岩稳定性分析，数据模型的建立，找到合适的煤柱参数，为工作面巷道支护及安全生产提供有效参数。
[关键词]围岩；采空侧；巷道支护
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0224-01
一、采空侧巷道开挖引起的巷道围岩应力变化
巷道开掘后原岩应力重新分布，由于巷道开挖所引起的卸载效应，导致环向应力大幅度增加，形成应力集中，而同时径向应力则显著降低，在巷道边沿径向应力几乎为零，原来的三维应力状态立即会变为二维应力状态，随着沿巷道径向距离的增加，巷道内的法向应力也逐渐增加。
一般认为在三维高应力围压条件下，岩石一般以弹性状态为主，而在二维低围压条件下巷道围岩则表现为比较复杂的塑性或流变特征。巷道在掘进过程中产生应力集中，引起巷道两帮及顶底板变形，围岩稳定性受到破坏，这也造成了工作面三角煤的破坏。
二、工作面采动引起的巷道围岩应力变化
煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，对于受到采动影响的巷道，它的维护状况主要取决于采动的影响，煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区新的支撑点转移，工作面沿倾斜以及开切眼一侧煤体上形成的支承压力在工作面采过后不再发生变化，成为固定支承压力或残余支承压力，采空区应力重新分布见图1。
1—工作面前方超前支承压力 2、 3- 工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力 4-工作面后方采空区支承压力
图1 采空区压力分布
工作面傾斜方向的固定支承压力影响范围一般为15～30m，支承压力峰值位置距离煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3，常将采场前方或巷道两侧的切向应力分布按大小进行分区，如图2所示。
A—减压区 B-增压区 C-稳压区 D- 极限平衡区 E-弹性区
图2 工作面倾斜方向支承压力的分区
在回采巷道布置中，煤柱护巷这种形式中，煤柱一般留20m～30m，也有的3～5m。但这一宽度煤柱保护下的巷道，还不能从根本上避免上区段开采形成的固定支承压力影响，工作面回风巷处于采空区侧向支承应力增高区范围内。因此护巷煤柱宽度对采空侧巷道围岩稳定性有很大的影响。
三、护巷煤柱宽度引起的采空侧巷道围岩应力变化
开掘巷道会在煤柱边缘产生数倍于原岩应力的集中应力，且由于边缘应力状态由三向转为双向或单向，煤柱的边缘部分必然遭到破坏，使集中应力向煤柱内部转移，直到煤柱承载能力与支撑压力达到平衡时，煤柱才处于稳定状态。因此，开采空间和回采巷道在护巷煤柱的两侧会形成各自的塑性变形区，宽度分别为X0和R0。而在煤柱中部处于弹性变形状态，起着支撑顶板和上覆岩层的作用。煤柱保持稳定性的宽度B为：
根据巷道在不同煤柱尺寸下掘进巷道应力分布情况，1处窄煤柱及3处原始应力大煤柱处掘进巷道时应力值较小，能够保证行道围岩的稳定性，属于合理的掘巷位置。但是若采用窄煤柱护巷，煤柱煤体会产生塑性破碎，工作面原来采用的是12m煤柱护巷，巷道维护效果差，因此我们进行模拟12m及更大尺寸煤柱，包括16m、20m、25m煤柱，通过模拟进一步确定合理煤柱尺寸。
模拟综放工作面采空侧巷道护巷煤柱稳定性，模拟煤层厚度7.0m，其中采高2.6m，放煤高度4.4m。巷道顶煤及煤柱尺寸划分为0.8×0. 3m2（宽×高，以下相同），顶煤上方直接顶8.44m，划分为1.1×0. 5m2，基本顶高度3.16m，初次来压步距20m，周期来压步距10m，主关键层初次来压步距60m，周其来压步距25m。整个模型尺度为240×57m2，边界载荷按490m计算，模拟底边界垂直方向固定，左右方向水平方向固定。
（1）不同煤柱尺寸下巷道围岩垂直应力分布状况
在12m护巷煤柱条件下，上区段工作面开采后，巷道围岩垂直应力最大集中分布于煤柱与巷道接触处，平均30MPa左右，应力值随着距巷道距离的增加而减小。顶底板垂直应力集中分布于距巷道6m范围内，最大值为10MPa。
在16m护巷煤柱条件下，巷道围岩稳定性有了一定的改善，但是，巷道与煤柱交界处的垂直应力仍然很大，平均25MPa。煤柱整体处于高应力区内促使巷道两帮变形严重。巷道顶板应力平均15MPa左右，巷道整体仍然处于高应力范围内。
在20m护巷煤柱的条件下，围岩应力分布集中在护巷煤柱中，对巷道的影响较小，巷道顶板围岩垂直应力为10 Mpa左右。巷道顶底板压力明显减少，一般5MPa左右，巷道受压影响变形量小，整体巷道处于原应力区范围内，巷道支护简单 。
在25m煤柱下，巷道围岩垂直应力处于原岩应力区，围岩应力值较小，受上区段工作面影响的高应力区分布于煤柱内，对巷道影响很小，巷道能够保持较好的稳定性。
（2）不同煤柱尺寸下巷道围岩水平应力分布状况
在12m煤柱下巷道顶板围岩中，水平应力集中分布于三角煤区域顶板10m处且应力值较大，平均20MPa左右。巷道发生变形。
在16m煤柱下，巷道顶板应力值有所减小，平均15MPa左右。但是端头三角煤处顶板应力值仍然较大，平均15MPa，巷道稳定性较差。
经过模拟20m及25m煤柱看出，在大煤柱护巷下，巷道围岩处于语言应力状态，顶板应力值降低，平均10MPa左右。三角煤处于原岩应力区，煤体稳定性较好，巷道支护简单方便，若经过合理的支护能够保证巷道及煤体的稳定。
（3）不同煤柱尺寸下巷道围岩弹塑性区分布状况
在12m及16m煤柱下，上区段工作面开采之后，巷道顶煤及三角煤、护巷煤柱整体处于塑性区范围内，造成三角煤体及巷道顶煤发生塑性变形，上区段采空区内的瓦斯也将经煤柱进入本工作面内，不利于矿井安全生产。同时，如果支护效果不当则造成煤体的破碎垮落，影响工作面的正常推进。
在20m煤柱下，巷道围岩塑性区范围减少，塑性区基本分布于护巷煤柱内。同时在护巷煤柱内有一部分煤体处于弹性区内，煤体不会发生塑性破坏。
在25m煤柱下，巷道围岩煤体的塑性区范围进一步较小，煤柱塑性区距离巷道较远，巷道不受上工作面采动影响，具有较好的稳定性与安全性。
由上述巷道顶底板及两帮位移量看出，随着护巷煤柱尺寸的增加，巷道围岩位移量减少，巷道变形小，巷道稳定性增加。
在20m及25m护巷煤柱的情况下，在上工作面开采之后不会对本工作面的开采造成影响，巷道边界三角煤所处应力值小，煤体塑性区发生塑性变形小，工作面煤体受上工作面采动影响小，煤体稳定性比12m煤柱时好，但是考虑到25m煤柱尺寸较大，煤炭损失量较大，我们认为采用20m护巷煤柱能够保证工作面的正常安全生产，同时还能够保证巷道的稳定性，支护工艺能够更加简单。
参考文献
[1]袁河津？《煤矿掘进安全知识》.
[2]邢福康《煤矿支护手册》.
[关键词]围岩；采空侧；巷道支护
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0224-01
一、采空侧巷道开挖引起的巷道围岩应力变化
巷道开掘后原岩应力重新分布，由于巷道开挖所引起的卸载效应，导致环向应力大幅度增加，形成应力集中，而同时径向应力则显著降低，在巷道边沿径向应力几乎为零，原来的三维应力状态立即会变为二维应力状态，随着沿巷道径向距离的增加，巷道内的法向应力也逐渐增加。
一般认为在三维高应力围压条件下，岩石一般以弹性状态为主，而在二维低围压条件下巷道围岩则表现为比较复杂的塑性或流变特征。巷道在掘进过程中产生应力集中，引起巷道两帮及顶底板变形，围岩稳定性受到破坏，这也造成了工作面三角煤的破坏。
二、工作面采动引起的巷道围岩应力变化
煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，对于受到采动影响的巷道，它的维护状况主要取决于采动的影响，煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区新的支撑点转移，工作面沿倾斜以及开切眼一侧煤体上形成的支承压力在工作面采过后不再发生变化，成为固定支承压力或残余支承压力，采空区应力重新分布见图1。
1—工作面前方超前支承压力 2、 3- 工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力 4-工作面后方采空区支承压力
图1 采空区压力分布
工作面傾斜方向的固定支承压力影响范围一般为15～30m，支承压力峰值位置距离煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3，常将采场前方或巷道两侧的切向应力分布按大小进行分区，如图2所示。
A—减压区 B-增压区 C-稳压区 D- 极限平衡区 E-弹性区
图2 工作面倾斜方向支承压力的分区
在回采巷道布置中，煤柱护巷这种形式中，煤柱一般留20m～30m，也有的3～5m。但这一宽度煤柱保护下的巷道，还不能从根本上避免上区段开采形成的固定支承压力影响，工作面回风巷处于采空区侧向支承应力增高区范围内。因此护巷煤柱宽度对采空侧巷道围岩稳定性有很大的影响。
三、护巷煤柱宽度引起的采空侧巷道围岩应力变化
开掘巷道会在煤柱边缘产生数倍于原岩应力的集中应力，且由于边缘应力状态由三向转为双向或单向，煤柱的边缘部分必然遭到破坏，使集中应力向煤柱内部转移，直到煤柱承载能力与支撑压力达到平衡时，煤柱才处于稳定状态。因此，开采空间和回采巷道在护巷煤柱的两侧会形成各自的塑性变形区，宽度分别为X0和R0。而在煤柱中部处于弹性变形状态，起着支撑顶板和上覆岩层的作用。煤柱保持稳定性的宽度B为：
根据巷道在不同煤柱尺寸下掘进巷道应力分布情况，1处窄煤柱及3处原始应力大煤柱处掘进巷道时应力值较小，能够保证行道围岩的稳定性，属于合理的掘巷位置。但是若采用窄煤柱护巷，煤柱煤体会产生塑性破碎，工作面原来采用的是12m煤柱护巷，巷道维护效果差，因此我们进行模拟12m及更大尺寸煤柱，包括16m、20m、25m煤柱，通过模拟进一步确定合理煤柱尺寸。
模拟综放工作面采空侧巷道护巷煤柱稳定性，模拟煤层厚度7.0m，其中采高2.6m，放煤高度4.4m。巷道顶煤及煤柱尺寸划分为0.8×0. 3m2（宽×高，以下相同），顶煤上方直接顶8.44m，划分为1.1×0. 5m2，基本顶高度3.16m，初次来压步距20m，周期来压步距10m，主关键层初次来压步距60m，周其来压步距25m。整个模型尺度为240×57m2，边界载荷按490m计算，模拟底边界垂直方向固定，左右方向水平方向固定。
（1）不同煤柱尺寸下巷道围岩垂直应力分布状况
在12m护巷煤柱条件下，上区段工作面开采后，巷道围岩垂直应力最大集中分布于煤柱与巷道接触处，平均30MPa左右，应力值随着距巷道距离的增加而减小。顶底板垂直应力集中分布于距巷道6m范围内，最大值为10MPa。
在16m护巷煤柱条件下，巷道围岩稳定性有了一定的改善，但是，巷道与煤柱交界处的垂直应力仍然很大，平均25MPa。煤柱整体处于高应力区内促使巷道两帮变形严重。巷道顶板应力平均15MPa左右，巷道整体仍然处于高应力范围内。
在20m护巷煤柱的条件下，围岩应力分布集中在护巷煤柱中，对巷道的影响较小，巷道顶板围岩垂直应力为10 Mpa左右。巷道顶底板压力明显减少，一般5MPa左右，巷道受压影响变形量小，整体巷道处于原应力区范围内，巷道支护简单 。
在25m煤柱下，巷道围岩垂直应力处于原岩应力区，围岩应力值较小，受上区段工作面影响的高应力区分布于煤柱内，对巷道影响很小，巷道能够保持较好的稳定性。
（2）不同煤柱尺寸下巷道围岩水平应力分布状况
在12m煤柱下巷道顶板围岩中，水平应力集中分布于三角煤区域顶板10m处且应力值较大，平均20MPa左右。巷道发生变形。
在16m煤柱下，巷道顶板应力值有所减小，平均15MPa左右。但是端头三角煤处顶板应力值仍然较大，平均15MPa，巷道稳定性较差。
经过模拟20m及25m煤柱看出，在大煤柱护巷下，巷道围岩处于语言应力状态，顶板应力值降低，平均10MPa左右。三角煤处于原岩应力区，煤体稳定性较好，巷道支护简单方便，若经过合理的支护能够保证巷道及煤体的稳定。
（3）不同煤柱尺寸下巷道围岩弹塑性区分布状况
在12m及16m煤柱下，上区段工作面开采之后，巷道顶煤及三角煤、护巷煤柱整体处于塑性区范围内，造成三角煤体及巷道顶煤发生塑性变形，上区段采空区内的瓦斯也将经煤柱进入本工作面内，不利于矿井安全生产。同时，如果支护效果不当则造成煤体的破碎垮落，影响工作面的正常推进。
在20m煤柱下，巷道围岩塑性区范围减少，塑性区基本分布于护巷煤柱内。同时在护巷煤柱内有一部分煤体处于弹性区内，煤体不会发生塑性破坏。
在25m煤柱下，巷道围岩煤体的塑性区范围进一步较小，煤柱塑性区距离巷道较远，巷道不受上工作面采动影响，具有较好的稳定性与安全性。
由上述巷道顶底板及两帮位移量看出，随着护巷煤柱尺寸的增加，巷道围岩位移量减少，巷道变形小，巷道稳定性增加。
在20m及25m护巷煤柱的情况下，在上工作面开采之后不会对本工作面的开采造成影响，巷道边界三角煤所处应力值小，煤体塑性区发生塑性变形小，工作面煤体受上工作面采动影响小，煤体稳定性比12m煤柱时好，但是考虑到25m煤柱尺寸较大，煤炭损失量较大，我们认为采用20m护巷煤柱能够保证工作面的正常安全生产，同时还能够保证巷道的稳定性，支护工艺能够更加简单。
参考文献
[1]袁河津？《煤矿掘进安全知识》.
[2]邢福康《煤矿支护手册》.