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 221116；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 221008；3.千秋煤矿，河南 义马 472300；4.内蒙古煤矿设计研究院，内蒙古 呼和浩特 010010)

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[1-3]、预测[4-7]和防治三个方面。在冲击矿压的防治方面，卸压爆破[8-10]和煤岩体注水[11-12]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[13]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21141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

21141综放工作面设计面长为130m，推进长度为1296m，工作面北侧为已开采的21121综放工作面和21101综采工作面，南侧有已开采的21181综放工作面和正在开采的21201综放工作面，西为采区边界，东侧与21区轨道运输巷、皮带下山和21区进风下山煤柱相邻，其布置情况如图1所示。

图1 21141综放工作面布置情况

21141工作面开采2号煤层，煤层平均厚度为20m，平均埋深655m，煤层顶板厚度为19.8～31.2m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21141综放面运输巷，造成巷道底板最大鼓起1.2m，U型钢架压缩0.7～1.7m。

2 预掘卸压硐室布置及支护方案设计

针对21141工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40m，异侧卸压硐室间距为20m，运输巷工作面侧硐室深度为5.5m，煤壁侧硐室深4.5m，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3.0m，底部宽为4.0m，高2.6mm，如图2(b)所示。

2.2 运输巷及预掘卸压硐室支护方案设计

21141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4863型，棚距600mm；锚杆采用Φ22mm×2500mm螺纹钢，间排距为600mm×600mm，采用K2390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Φ22mm×2500mm的全螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm；锚索规格为Φ15.24mm×8000mm，间排距1500mm×1500mm。卸压硐室两帮采用全螺纹钢锚杆和木锚杆支护，一帮采用Φ22mm×2500mm的全螺纹钢锚杆支护，间排距为800mm×800mm。另一帮支护采用Φ40mm×2000mm的木锚杆支护，间排距为800mm×800mm。

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Ansys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

21141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21141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21101、21121和21181综放工作面的开采，引起21141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，21141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21141孤岛面，及北侧的21121综放面、21101综采面，南侧的21181综放面和21201综放面作为研究对象，建立平面应变模型Ⅰ，模拟21141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21141工作面运输巷当前掘进位置，模型尺寸为1000m×140m，底部为竖直方向约束，左右两侧为水平约束，顶部施加均布载荷，其均布力p=γ·h，其中γ为覆岩的平均容重，h为覆岩厚度，在其左右各留100m宽的边界煤柱。

选取21141综放面运输巷及两侧的卸压硐室作为研究对象，建立三维立体模型Ⅱ。模型Ⅱ尺寸为50m×50m×20m。考虑到模型的计算量和精度，采用映射网格的划分方式对网格进行优化。模型左右面为水平力约束，约束力大小由模型Ⅰ得出，前后面为对称边界，下表面为垂直方向的位移约束，上表面为均布载荷。巷道和硐室的支护条件，通过在其内部加一混凝土层来实现，支护强度由混凝土层的厚度来区别，模型参数的选取见表1。

表1 模型岩性参数对照表

4 孤岛面围岩应力分布规律分析

由模型Ⅰ分析得出21141综放工作面围岩应力分布特征，如图3所示，其中，σx、σy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。

图3 21141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21121和21181综放面的开采，导致了孤岛部分的应力升高，随着离已采工作面距离增大，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=150m)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65m，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45m，21141工作面运输巷位置处垂直应力降为原岩应力值15MPa，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Ⅰ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21141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d1，巷道中央沿走向距卸压硐室距离为d2，等效应力为σeqv，应力降幅为η。

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4.3m，应力最大位置发生在卸压硐室底板距右侧边缘0.4m处，最大应力值18.1MPa，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59.6%，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11.61MPa，降幅为10.45%；应力降幅最小位置在模型中间，距卸压硐室3m处，应力降至12.86MPa，降幅为0.33%，见图5。

图4 掘卸压硐室前后沿倾向应力变化比较

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21101、21121和21181综放工作面的开采，导致了21141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)21141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4.3m，应力降低最大位置在运输巷右帮处，降幅度为59.6%；沿工作面走向，掘卸压硐室后巷道底板应力降幅最大为10.45%。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。

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