孤岛面预掘卸压硐室防冲击矿压数值模拟研究.pdf

第 2 O卷第 3 期 2 0 1 1年 3月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE VoI ． 2 O，No ． 3 M a r ． 20 I1 孤 岛面预掘卸压硐 室防冲击矿压数值模拟研 究 周 楠 ，张 寅。 ，安泰龙 ，安百富 1 ．中国矿 业大 学 矿 业工程 学院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 l 6 ；2 ．中国矿业 大学 煤炭 资源与安全 开采 国家重点 实验 室 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8；3 ．千秋煤 矿 ，河南 义马 4 7 2 3 0 0 ； 4 ．内蒙古煤矿设 计研 究院 ，内蒙古 呼和 浩特 0 1 0 0 1 0 摘要 针对 某 矿 井 孤 岛工 作 面运 输 巷 的 冲 击 矿 压 问题 ，提 出 采 用 预 掘 卸 压 硐 室 防 冲 击 矿 压 方 案 ； 结合孤岛面布置情况 ，建立平面应 变模型 ，研究孤岛工作面受邻近工作面采动 的影 响情况 ；根据卸压硐 室的布置方案 ，建立三维模型，研究掘卸压硐室前后巷道底板沿走向和倾 向的等效应力分 布特 征，分析 卸压效果 。研究结果表 明预掘卸压硐室防冲方案可以有效 的降低巷道底板应力 ，将巷道底板原应力集 中区转移至卸压硐室处 ，具有 明显的卸压效果 ，可为冲击矿压的防治工作提供一定的参考 。 关键词 深部开采；卸压硐室 ；冲击矿压；数值模 拟 中图分类号T D 3 2 4 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 O 1 1 0 3 0 0 8 6 0 4 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f r o c k b u r s t u nl o a d i n g c h a m b e r i n d e e p p r e v e n t s c h e me t h a t pr e 。 h e a d i n g i s l a nd c o a l mi ni n g f a c e ZHOU Na n ， ZHANG Yi n。，AN Ta i l o n g ，AN Ba i f u ’ 1 ．S c h o o l o f M i n i n g ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， Ch i n a ； 2 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f C o a l Re s o u r c e s a n d Mi n e s a f e t y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；3 ． Qi a n q i u Mi n e ，Yi ma 4 7 2 3 0 0 ，Ch i n a ；4 ．I n n e r Mo n g o l i a Co a l Mi n e De s i g n Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Hu h e h a o t e 0 1 0 0 1 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ai me d a t r o c k b u r s t s y mp t o m o c c u r r e d i n t h e r o a d wa y O f o n e d e e p i s l a n d c o a 1 mi n i n g f a c e ， t h e r oc k bu r s t pr e v e nt s c he me whi c h pr e h e a d i n g u nl o a di n g c ha mb e r i n r o ad wa y wa s pu t f o r wa r d ．Ba s e d o n t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n o f c o a l mi n e ，we b u i l t t h e p l a n e s t r a i n s i mu l a t i o n mo d e l a n d d o r e s e a r c h o n t h e i m p a c t o f i s l a n d c o a l mi n i n g f a c e c a u s e d b y i n d u c e d wo r k i n g f a c e ． M o r e o v e r ，t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f u n l oa di ng c h a mbe r was e s t a b l i s h e d t O s t ud y on t h e e q ui v a l e n t s t r e s s di s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f r o a dwa y f l oo r，b e f o r e a nd a f t e r t h e h e a d i n g o f u nl o ad i ng c h a mbe r ． M e a nwhi l e ，t h e u n l o a di n g e f f or t wa s a n a l y z e d ． The r e s u l t s he w t ha t t he s c he m e c a n ob v i o u s l y r e d uc e t he s t r e s s of r oa d w a y f l o or a n d t r a n s f e r t he s t r e s s c on c e n t r a t i o n p os i t i o n f r o m r o a dwa y f l o or t O un l o a d i n g c h a mbe r ．Thus ，i t c a n d o un l o a d t h e p r e s s u r e e f f i c i e nt l y，a s we l 1 a s s u pp l y r e f e r e nc e t O p r e ve n t i ng a nd s o l u t i on of r o c k b ur s t ． Ke y wor d sd e e p mi n i n g；u nl o a di ng c h ambe r ；r o c k b ur s t ；nu me r i c a l s i mu l a t i o n 为保 证 煤 炭 的 高产 稳 产 ，对 于 深 部 矿 井 的 开 采 已经 逐 渐 成 为 当前 采 矿研 究 的一 个 重 要 方 向。 但 随着开 采 深 度 的增 加 ，随之 产 生 的 冲 击 矿 压灾 害也愈为严重 。 目前 ，针 对 冲 击 矿 压 的研 究 主 要 包 括 其 发 生 机理 1 ] 、预测 和 防治三 个方 面 。在 冲击 矿压 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 1 9 基 金项 目 国家 自然 科 学 基 金 面上 项 目 5 1 0 7 4 1 6 5 作者简介周楠 1 9 8 8 一 ，男，安 徽宿 州人，中国矿业大学采 矿工程硕士研究生 ，主要研究方 向为采动岩体 控制及 固体 废弃物 充 填 采 煤技 术 。 的防治方 面 ，卸压 爆 破 叩和煤 岩 体注 水I 】 是 大 多数具有 冲击 矿压 现 象矿 井 所采 用 的 防冲 办法 。 实践 证 明 ，在高应 力 区 域通 过爆 破 和 注水 的方式 ， 可 以有效 的减小 压力 ，降低 危 险 区域 的 冲击 倾 向。 也有 学者口 通过 开 掘 卸 压巷 的方 法 ，将 围 岩 的高 应力 区域 向深 部 转 移 ，使 巷 道 浅部 围岩 处 于应 力 降低 区 ，从 而起到减 小工作 面冲击矿 压 的危 险性 。 笔者 通 过 数 值 模 拟 的研 究 手段 ，针 对 某 矿 井 2 1 1 4 1 综放 面 运输 巷所 发 生 的冲 击矿 压 现象 ，模 拟 了在巷道两侧实施 预 掘卸压 硐室 防冲击 方案 后 ，巷 道 围岩应 力 的分 布情 况 ，分析 了实施 此方 案 的卸压 第 3 期 周 楠 ，等 孤岛面预掘卸 压硐 室防冲击 矿压数值模拟研究 效果 ，为矿井 冲击 矿压 的防治提供 一定 的参 考 。 1 矿 井地 质条 件 2 l 1 4 l综放 工 作 面设 计 面 长 为 1 3 0 m，推 进 长 度 为 1 2 9 6 m，工作 面北 侧 为 已开 采 的 2 1 1 2 1综放 工 作 面和 2 1 1 o 1综采 工作 面 ，南 侧 有 已开 采 的 2 1 1 8 1 综 放工 作面 和正在 开采 的 2 1 2 O 1 综 放工 作 面 ，西 为 采 区边 界 ，东侧 与 2 1区轨 道运 输 巷 、皮 带 下 山和 2 1区进风 下 山煤柱 相邻 ，其 布置情 况如 图 1 所 示 。 ． I ＼． 一 ㈣综 陬 i l卜 I 练双同 J ＼ ～ 4 ] 广 2 1 放面 当 前 掘进 位置 一一 一⋯～ ￡ I 一 l 2 l l8 l综 放 面 已 开 采 I ／ 8 、 他 叭 综 丕 L _ f 图 1 2 1 1 4 1综 放 工作 面 布 置情 况 2 1 1 4 1 工作 面开 采 2号 煤 层 ，煤 层平 均 厚 度 为 2 0 m，平 均 埋 深 6 5 5 m，煤 层 顶 板 厚 度 为 1 9 ． 8 ～ 3 1 ． 2 m 泥岩 。由于矿 井 开采 深 度较 大 、冲击倾 向性 较 强 ， 目前 已发 生 五次 较 为 严 重 的 冲击 矿 压 现 象 ， 最后 一次发生在 2 1 1 4 1 综 放 面 运输 巷 ，造 成巷 道 底 板最 大鼓起 1 ． 2 m，U 型钢架压缩 0 ． 7 ～1 ． 7 m。 2预 掘卸压 硐 室布置 及支 护方 案设计 针 对 2 1 1 4 1 T 作 面 运 输 巷 发 生 了 冲 击 矿 压 现 象 ，提 出在其 运 输 巷 内布 置 卸 压 硐 室 ，从 而 达 到 降低集 中应力 ，缓解 冲 击矿压 的 目的。 2 ． 1 预掘卸 压硐 室布置 方案设 计 卸 压 硐 室 位 于 运 输 巷 两 侧 ，其 布 置 方 式 为 “ 品” 字型 ，同侧 卸 压硐 室 间距 4 0 m，异 侧 卸 压 硐 室 间距 为 2 0 m，运输 巷 工作 面侧硐 室深 度为 5 ． 5 m， 煤壁 侧硐 室深 4 ． 5 m，如 图 2 a 所 示 。卸 压 硐 室 断 面形状 为梯 形 ，其 尺 寸 为 顶 部 宽为 3 ． O m，底 部 宽 为 4 ． O m，高 2 ． 6 ram，如 图 2 b 所示 。 2 ． 2运输 巷及 预掘 卸压 硐室支 护方 案设 计 2 1 1 4 1 综放工作面运输巷采 用锚 网与 U 型钢联合 支护 U型 钢支架 为 4 8 6 3型，棚 距 6 0 0 mm；锚杆 采 用 O2 2 mm 2 5 0 0 mm 螺 纹 钢 ，间 排 距 为 6 0 0 mm 6 0 0 m m，采用 K2 3 9 0型树脂药卷端头锚 固 ，金属 菱形 网护顶帮。顶锚杆随半 圆面，帮锚杆垂直巷表面 。 卸压硐室顶 板采 用锚 杆 加锚 索支 护 ，锚杆 采 用 规格 为 02 2 mm2 5 0 0 mm 的全 螺纹 钢锚 杆 ，问排 距 为 8 0 0 mm 8 0 0 m m；锚 索 规 格 为 0 1 5 ． 2 4 ram 8 0 0 0 m m，问排 距 1 5 0 0 mm 1 5 0 0 mm。卸 压 硐 室 两 帮 采 用 全 螺 纹 钢 锚 杆 和 木 锚 杆 支 护 ，一 帮 采 用 0 2 2 mmX 2 5 0 0 m m 的全螺 纹 钢锚 杆 支护 ，间排 距 为 8 0 0 mm 8 0 0 mm。 另 一 帮 支 护 采 用q 4 O mm 2 0 0 0 mm 的木锚杆支 护 ，间排距为 8 0 0 mmX 8 0 0 mm。 a 半而图 3 f X 0 } ． _ _ ． { } 剖面图 图 2卸 压 硐 室 布 置 方 案 3预掘 卸压硐 室数 值模型 建立 依据现场预掘卸压硐室 的布置情 况 ，采用 A n s y s 数值计算 软件建立模 型 ，分析该方案 的卸压效果 。 3 ． 1 模 拟方案设 计 2 1 1 4 1 综 放 面为孤 岛工 作 面 ，邻 近 工作 面 的开 采 ，势必会 引起 围岩应 力 的重 新 分 布 ，导致 2 1 1 4 1 综放 工作 面 应 力 场 分 布 产 生 变 化 。所 以 ，在 模 拟 开 掘卸压 硐 室 前 ，必须 对 孤 岛 面 受 邻 近 工 作 面 开 采影 响后 的应 力 分 布情 况 进 行 分 析 。最 终 确 定 如 下模 拟方案 ①建 立 平 面模 型 I，分 析 邻 近 2 1 1 0 1 、2 1 1 2 1 和 2 1 1 8 1 综 放工 作面 的开采 ，引起 2 1 1 4 1综放 工作 面 的应力重 新 分 布 情 况 ；② 建 立 三 维 模 型 Ⅱ，分 析掘 卸压硐 室前 ，2 1 1 4 1综放 工作 面 运输 巷 围 岩应 力 分 布规 律 ；③ 在 模 型 Ⅱ中 开挖 卸 压硐 室 ，分 析 卸压 硐室 布 置 引 起 的运 输 巷 围 岩应 力 分 布 ，与 未 掘硐 室时相 比较 得 出卸压效 果 的分 析 。 3 ． 2模型 建立及 参数 选取 取 2 1 l 4 1孤 岛 面 ，及 北 侧 的 2 1 1 2 1综 放 面、 2 1 1 0 1综采面 ，南侧 的 2 1 1 8 1综放 面和 2 1 2 0 1综 放面 作为研究对象 ，建立平 面应 变模型I ，模 拟 2 1 1 4 1 综 放面受邻 近工作 面开采后 的应力分 布情况 。模 型I 截 取位置为 2 1 1 4 1 工作 面 运 输巷 当前掘 进 位置 ，模 型 尺寸为 l O 0 0 mX 1 4 0 m，底 部 为竖直 方 向约束 ，左右 8 8 中 国 矿业 第2 O 卷 两侧为水 平 约 束 ，顶 部 施 加 均 布 载 荷 ，其 均 布 力 用 映射 网格 的划分 方式 对 网格 进行 优化 。模 型左 右 一y h ，其 中 y为覆 岩 的平均 容 重 ， 为 覆 岩 厚 面为水平力 约束 ，约束力大小 由模 型I 得 出，前后 面 度 ，在其左右各 留 1 0 0 m宽 的边界煤柱 。 为对称边界 ，下表 面为垂 直方 向 的位 移约 束 ，上表 选取 2 1 1 4 1 综放 面运输 巷及 两侧 的卸压 硐室作 面为均布 载荷 。巷道 和硐 室 的支 护 条件 ，通 过在其 为研 究 对象 ，建立 三 维 立 体模 型Ⅱ 。模 型 Ⅱ 尺 寸为 内部加一混凝 土层来 实现 ，支 护强 度 由混 凝 土层 的 5 0 mX 5 0 mX 2 0 m。考虑 到模型 的计 算量 和精度 ，采 厚度来区别 ，模型参数 的选取见表 1 。 表 1 模 型岩 性 参 数 对 照 表 岩石名称 细 沙岩 砾岩 细沙 岩 粉沙 岩 砾 岩 粉 沙 岩 细 沙 岩 泥 岩 2煤 泥 岩 粉 砂岩 模型深度／ m 5 5 8 57 3 58 5 594 6O4 61 7 6 2 7 655 681 6 8 5 69 O 厚度／ m 弹性模量／ GP a 抗压 强度／ MP a 密度／ 1 0 。 k gm_ ” 泊松 比 0 ． 2 5 0 ． 2 8 0 ． 2 5 0 ． 2 7 0．28 0 ． 2 7 0 ．2 5 0 ．3 0 0 ．3 4 0．30 0 ． 2 7 4孤 岛面 围岩应 力分 布规律分 析 由模型1 分析得 出 2 1 1 4 1 综放 T 作面 围岩应力 分 布特征 ，如图 3所示 ，其 中， 、 分 别表 示 水平 应力和垂直应力 ，d表示距孤岛北侧边 界的距离 。 4 4 。 5 4 5 4 0 3 5 3 O 2 5 善 2 0 1 5 l 0 0 d， m ㈤垂亢应力 图 3 2 1 1 4 1综 放 工 作 面 巷道 底 板 处应 力变 化 曲线 由图 3可知 ，孤 岛水平 应力和垂 直应力 的变化 规律相 同 ，均呈“ 波 浪 ” 型 ，其 原 因 主 要 是 由于 两侧 的 2 1 1 2 1 和 2 1 1 8 1综放 面的开采 ，导致 了孤岛 部分 的应 力 升 高 ，随着 离 已 采 _ T 作 面 距 离 增 大 ， 应力呈现先增大后降低 的趋势 ，在孤 岛面中部应 力降至 最低 。但 由于北 侧 的两 个 工作 面均 已开 采 ， 而南侧 只有 一 个 面 已采 ，因此 北 侧 所 形 成 的应 力 集 中现象更 为 明显 ，表 现为其应 力峰值 较大 。 孤 岛范 围 内水 平 应 力 的变 化 趋 势 很 明 显 ，在 运输 巷 位 置 d一 1 5 0 m水 平 应 力 为 原 岩 应 力 的 2 ． 1 倍 ，最大值 达到 4 ． 3倍 ，发生 在距 北侧 采 空 区 6 5 m，如 图 3 a 所示 ；垂直 应力 明显增大 ，最大 值为原 应力 的 2 ． 7倍 ，距 北 侧 采空 区 4 5 m，2 1 1 4 1 工作 面 运 输 巷 位 置 处 垂 直 应 力 降 为 原 岩 应 力 值 1 5 MPa ，如图 3 b 所示 。 5预掘 卸压硐 室围岩应 力分布 规律分 析 将模 型 工的应 力 计 算 结 果 作 为模 型 Ⅱ水平 应 力边 界 ，通过 三维模 型 Ⅱ模 拟分析 2 l 】 4 1 综 放 面掘 卸压 硐室 前 后 的 围 岩应 力 分 布 情 况 。由 于 冲击 矿 压 的主要表现 为底 鼓 ，因此研 究 重 点为 巷道 底 板 ， 从倾 向和走 向两 方 面进 行 分 析 。定 义 沿 倾 向距 巷 道左 帮的距 离 为 ，巷 道 中央 沿 走 向距 卸 压 硐 室 距 离为 d ，等效应力 为 ，应 力 降幅为 叩 。 沿工 作 面 倾 向 ，开 挖 卸压 硐 室使 巷 道 右 侧底 板 的应力 进 行 了一 定 的 释 放 ，导 致 应 力 值 有 所 降 低 ；掘卸压 硐 室 后 运 输 巷 应 力 集 中区 域 向 右 移 动 4 ． 3 m，应力最 大 位 置发 生 在 卸 压硐 室 底 板距 右 侧 边缘 0 ． 4 m 处 ，最 大应 力值 1 8 ． 1 MP a ，见 图 4 a 。 对卸压 前后 的应 力 值 进 行 比较 ，可 知 掘 卸 压 硐 室 具 有 明显 的卸 压 效 果 ，可 使 整 个 运 输 巷 底 板 应 力 ∞ 蛎 ∞ ∞ ∞ ∞ 勰 号 ～ ． 一 0。 0 0 ∞ 力 | 水 ∞ ∞ 0 第 3期 周 楠 ，等 孤岛面预掘卸压硐室防冲击矿压数值模 拟研 究 8 9 值均有 所 降 低 ，应 力 降 低 最 大 位 置 在 运 输 巷 右 帮 处 ，降低 幅度为 5 9 ． 6 ，见 图 4 b 。 沿 工作 面走 向 ，掘 卸 压 硐 室 后 巷 道 底 板 应 力 有一定 的 降 低 ，但 降 幅 不 太 明显 ，应 力 降 幅 最 大 位置在 模 型 两 端 ，应 力 降 至 1 1 ． 6 1 MP a ，降 幅 为 1 0 ． 4 5 ；应 力 降幅 最 小位 置 在 模 型 中间 ，距 卸 压 硐 室3 m 处 ， 应 力 降 至1 2 ． 8 6 MP a ， 降 幅 为 0 ． 3 3 ，见 图 5 。 一掘卸 J卡 硐 室 前 掘卸 目 司 室后 d l ／ m a 巷道以及卸 硐室底板应力值变化 dl／ m ㈨巷道底板应力降低幅度 图 4掘 卸 压 硐 室 前 后 沿 倾 向应 力 变 化 比较 d o ／ m a 运输巷底板应力值变化 0 2 4 6 8 1 0 j 2 1 4 J 6 l 8 2 O ／ m f b 1 巷道底板应 力降低幅度 图 5 掘 卸 压 硐 室 前 后 沿 走 向应 力 变 化 比较 6 结 论 针某矿井 冲击 运输 巷 的冲击 矿压 现象 ，提 出预 掘卸压 硐室防 冲击 矿压 方案 ，通 过数 值模 拟 的方法 对 防冲方案进行分析研究 ，得 出如下 主要结论 1 邻 近 的 2 1 1 0 1 、2 1 1 2 1和 2 1 1 8 1综放 工 作 面的开采 ，导致 了 2 1 1 4 1综放工 作 面运输 巷水平应 力 为原 岩应力 的 2 ． 1倍 ，垂直 应力没 有 明显变化 。 2 2 1 J 4 1 工 作 面运 输 巷 掘 卸 压 硐室 后 ，沿工 作 面倾 向巷道底板应力集 中区域 向右移动 4 ． 3 m，应 力 降 低 最 大 位 置 在 运 输 巷 右 帮 处 ，降 幅 度 为 5 9 ． 6 ；沿工作 面走 向 ，掘卸 压硐 室后 巷 道底 板应 力降 幅最 大 为 l O ． 4 5 ％。此方 案 卸 压效 果 明显 ，可 为今后 冲击矿 压 的防治工作 提供 一定 的借鉴和参考 。 ■■■ 参 考文 献 [1 ] 牛宝林 ，邸建友 ，唐绍琴．底板 冲击矿压发生 机理 与防治 [ J ] ．煤矿开采 ，1 9 9 9 1 2 O 2 3 ． [2] 陆菜平 ，窦林名 ，吴兴 荣．冲击 矿压诱 因～能量 积聚与耗 散 的 自组 织 临 界 性[ J ] ．辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ，2 0 0 5 ， 2 4 6 8 4 1 8 4 3． [ 3] 杨勇 ，潘一山，李 国臻．便携式 电磁 辐射仪监测 冲击矿压 危险 区域研究 E J ] ．煤矿开采 ，2 0 0 7 ，1 2 2 6 2 ～6 4 ． [ 4] 邹喜正 ，窦林名 ，徐方军．分维在 电磁幅射技术预 测冲击 矿压 中 的应 用 [ J ] ．辽 宁工 程技 术 大 学学 报 ，2 0 0 2 ，2 1 4 4 5 2 4 5 5． [ 5] 陈国祥 ，窦林名 ，曹安业 ，等．电磁辐射法评定冲击 矿压危 险等级及应用 口] ．煤炭学报 ，2 0 0 8 ，3 3 8 8 6 6 ～8 7 0 ． [ 6] 窦林名 ，何 学秋 ，王恩元．冲击矿压 预测的 电磁辐 射技术 及应用 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 4 ，2 9 4 3 9 6 3 9 9 ． [ 7] 于永 春 ，张修 峰．冲击矿 压预测 预 报及 综合 防治 新 技术 口] ．煤矿开采 ，2 0 0 8 ，1 3 4 8 5 8 8 ． [8] 贾永军．东滩矿 冲击矿声 的成 因与防治探讨_ J ] ．煤 矿开 采 ，2 0 02 ， 7 2 5 25 4 ． [9] 吴兴荣，郭 海泉，黄修典 ，等．坚硬顶板 冲击 矿压 的预测 与防治 [ J ] ．矿山压力与顶板 管理 ，1 9 9 9 4 2 1 1 2 1 4 ． [ 1 0 ] 付永水．千秋矿特厚煤层 冲击地压防治技术研究 口] ．煤炭 科 学 技 术 ，2 0 0 4 ，3 2 6 1 8 2 0 ． [ 1 1 ] 侯玮 ，姜福兴 ，霍海 鹰．深 部煤层冲击矿 压防治技术研 究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 0 8 8 6 3 6 4 ． [ 1 2 ] 徐林 ，姜长根．用煤体注水法防治软岩矿井冲击矿压 E J ] ． 煤矿安全 ，1 9 9 9 ，4 4 3 1 3 2 ． [ 1 3 ] 张小涛，窦林名．冲击矿压工作面卸压巷卸压法探讨 [ J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ，2 0 0 5 ，3 3 1 0 7 2 7 4 ． ∞ 惜 n m 8 6 4 2 0 0 0 O O O 0 O 4 2 0 8 6 4 2 O B d }