斜交煤柱下动压巷道稳定性分析.pdf

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1、2010年4月矿业安全与环保第37卷第2期斜交煤柱下动压巷道稳定性分析窦凤金，屠世浩，吴其(中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221008)摘要：阳泉一矿15煤层8902工作面斜交布置在12煤层残留煤柱下方，由于煤柱集中应力作用，加之本工作面采动应力等的影响，使得工作面巷道变形严重，维护极其困难。应用理论分析、FLAC如数值计算对上方斜交煤柱集中应力与本工作面采动应力耦合动态应力场时空演化进行了分析，得出巷道与煤柱不同空间关系下应力场对巷道变形的影响规律。上述结果与8902工作面进风巷道变形的观测数据相吻合，为阳泉矿区煤柱下巷道布置和维护提

2、供了理论依据。关键词：斜交煤柱；FLAC如；动态应力场；巷道变形中图分类号：TD322．4文献标志码：B文章编号：1008—4495(2010)02—0050—04工作面煤柱留设是巷道维护的一种常用手段，J但煤柱留设不仅造成大量资源浪费，且残留煤柱造．成的集中应力向底板传播，对于底板巷道维护造成芝L、＼／、^／＼／＼、一／定困难⋯。底板巷道内某点变形及破坏不仅与煤／柱斜交角度有关，而且与距煤柱的层间距离和水平距离有关。上方煤柱集中应力与随工作面回采向前。弹性区、‰J＼⋯，、，V、，VV、，＼月日日日*'日日推进的采动支承应力耦合后在空间和时

3、间上形成了V、，、，、，v、^，日H1B不断变化的复杂的应力场，给巷道维护造成极大的困难。因此，研究该动态应力场的演化规律，对了解图1煤柱集中应力分布回采巷道的变形机制，确定巷道合理位置及相关支dF=qdm护参数都具有指导意义。rq1煤柱集中应力底板传播规律分析』4¨，r1r煤柱集中应力分布复杂，较常用的分析方法是’＼dm1Ib一DⅡ

4、根据不同的应力状态由煤柱边缘向中心划分成几个＼土二区，即破碎区、塑性区和弹性区_1J。不同的区域所承载的应力不同，为了简化计算，将煤柱对底板的作＼1、一／、_—————．．／用力简化为均布载荷脚日(式中：K为

5、应力集中系r数；为上覆岩层密度；H为煤层埋深)。煤柱集中图2煤柱对底板应力分析模型应力分布见图1，煤柱在底板应力传播分析模型见图2。在图2中任意点各个方向的应力可表示为仃‘，=一『}arctanL。。一arctan—一一丌KHrY+b—a一：一。。LIarctan——一arctan—一+叮ri±2+(二)]+(Y+b)。+(Y一口)i±2一!二2]+(Y+b)+(Y一0)j；Hr]一—一结合FLAC的数值模拟可以清楚地揭示出底板收稿日期：2009—05—29；2010—01—26修订作者简介：窦凤金(1984一)，男，陕西横山人，硕士研究应

6、力传播规律：生，主要从事矿山压力和数值模拟研究。E—mail：doufengjin1)从图3(a)可以看出，l2煤柱宽度为20m时，@163．corn。煤柱两侧3—5m为破碎区或塑性区，应力集中主要·50·2010年4月矿业安全与环保第37卷第2期分布在煤柱中间10～15m的弹性区，该区域应力集在开采过程中虽受到一定程度的破坏，但理论分析中系数高达4．3，其垂直应力等值线在底板呈椭圆形，认为其内部10～15m仍具有较好的完整性和较强影响深度较大，底板应力集中系数为1．5时的最大深的支承能力I9J。煤柱与下层煤工作面布置空间位度达45m，对l

7、5煤层回采巷道变形影响显著。置关系如图4所示。数值模型长度为1000m，宽度为400m，上方煤柱呈3O。夹角斜交于工作面。整个模型共由226060个块体和266673个节点组成，三维数值计算模型见图5。(a)垂直应力(b)水平应力图4工作面与煤柱上下对照关系示意图(c)剪应力图3煤柱集中应力在底板的分布2)从图3(b)可以看出，l2煤层底板岩体在煤图5数值计算三维模型柱较大的垂直应力作用下，产生横向变形，横向变形导致水平方向上有较大的张应力，垂直应力越集中，根据煤岩力学性能试验室测试结果、现场地质水平应力也越大，但随着向底板延伸，水平应力集

8、中调查及相关资料对比，最终确定模拟计算采用的煤程度逐渐减弱，在底板深40m处接近原岩应力，不岩力学参数见表1。会成为15煤层巷道变形的主要因素。表1岩体的物理力学参数3)在垂直应力和水平应力共同作用下，从煤柱的边缘开始向底板沿与竖直方向呈15。～30。向两侧形成2条椭圆形的剪切带，如图3(c)所示，离煤柱越近，剪应力越大。层间距较小时剪应力可使煤层底板岩体产生节理、裂隙等微结构面，进而产生垂直开裂，形成张裂隙，导致巷道冒顶、片帮等破坏，但其影响深度不超过20～30m。2．2计算结果分析2复杂应力场下巷道变形规律的三维数值1)12煤层的开采引

9、起底板一定深度内应力的模拟重新分布，加之15煤层采掘引起的应力扰动，采动2．1模型建立及参数选取支承应力特别是超前支承应力随着工作面的推进呈模型以阳泉一矿15煤层8902工作面及