不同角度卸压槽对巷道卸压效果的影响

古鹏1 ,刘孟森2

1.黑龙江多宝山铜业股份有限公司  黑河  161416

2.黑龙江科技大学  哈尔滨  150027

摘要：通过简化巷道卸压槽受力力学模型，以某矿3#煤层工作面回采巷道为背景，借助数值模拟软件分析在巷帮开挖卸压槽后的围岩所受应力状态，得出卸压槽所受正、切应力随角度变化而变化的同时，巷道围岩所受竖直应力、剪切应力的变化趋势，进一步分析卸压槽角度的变化对巷道围岩所受应力的弱化效果。最终得出当卸压槽角度为60°时，巷道围岩所受应力峰值降低幅度最大，卸压效果最好。

关键词：数值模拟；卸压槽角度；应力分析

近年来我国煤炭浅部资源逐渐被开采殆尽，大多矿井都转向深部开采，由此伴随而来的高应力环境极易在开采、掘进等动力扰动下发生动力灾害事故，而这些动力扰动在煤矿生产活动中不可避免，故只能从降低巷道围岩静载着手治理冲击地压等动力灾害。卸压措施有大直径钻孔卸压、爆破卸压、水力压裂卸压、卸压槽卸压。由国内外研究了解到随着开采深度增加，竖直应力和水平应力就越趋近，钻孔卸压效果不如卸压槽，而爆破和水力压裂卸压造成扰动亦过大，易引发动力灾害，故在此采用卸压槽卸压。

1 工程背景

3#煤层直接顶为3.5m的细砂岩、底板岩性为5.6m纹理明显的细砂岩，煤层平均厚度为3.0m左右，裂隙及其结构面发育、断层和褶皱较多，物理力学性质及其变化规律随采随冒落，顶板初次来压步距为13～15m，综合评价煤层顶底板稳定性是较不稳定的。煤层埋藏深度为858m～936m。现某矿井最大开采深度已达到1000m，将会面临高地应力和采动应力以及局部支承压力的叠加影响，冲击危险区域集中，危险性大大增加，冲击危险程度加大。

2 卸压槽受力力学模型

2.1卸压槽受力简化模型

   在岩层中开挖巷道后，原岩应力遭到破坏，原作用在巷道上的力由巷道围岩所承担，待巷道及其围岩稳定后，巷道两帮仍存在应力集中区，巷道顶底板及两帮累积的弹性能可能会在开采扰动的影响下释放，即发生冲击地压等动力灾害事故。在此对巷道两帮开挖不同角度的卸压槽并进行受力分析。

2.2 卸压槽上一点的应力分析

巷道围岩在上覆岩层作用下受到竖直应力σy和水平应力σx的作用，卸压槽上一点受到的的正应力为σn、切应力为τn，其中σx=λσy，从已有的资料来看，在深度不大的情况下，λ值很分散，并且数值较大；随着深度的增加，λ值得分散性变小，并且向趋于1的附近集中，霍克和布朗用回归法得到下列公式，表示λ的变化范围：

      （1）

故在此λ取值为1，即σx =σy。对巷帮卸压槽进行受力分析：

（2）

（3）

对上式中的σn求导得，当θ取0时，σn取最大值为σy，当θ取π/2时，σn取最小值为-σy；对上式中的τn求导得，当θ取π/4时，τn取最大值为√2σy，当θ取0或π/2时，σn取最小值为σy。

由上述分析可知，当角度从0°到90°时，正应力和切应力的变化趋势并不同。正应力随着角度的增大而不断减小；切应力随着角度增大先增大后减小，在π/4处取得最大值，且切应力的大小与角度关于π/4呈对称关系。故可对卸压槽所受到的正应力和切应力随着角度变化而改变进一步对巷道卸压效果的影响进行研究。

3 数值模拟计算及分析

3.1 建立模型及边界条件

   为探究回采巷道卸压槽卸压槽角度对卸压效果的影响，利用FLAC3D数值模拟软件对此进行研究，根据某煤矿的地质资料，该模拟部分累积厚度34.5m，模型本构关系为摩尔库伦，模型尺寸为40m×10m×34.5m。

3.2 力学参数

模型采用摩尔库伦本构模型，根据现场地质资料，确定煤岩体岩体力学参数如表1所示。

表1 岩层力学参数

岩层 名称	体积模量/GPa	剪切模量/GPa	摩擦角 /0	密度 kg/m3	内聚力 /MPa
砂岩	20.63	14.18	38	2785	3.1
细砂岩	21.01	13.45	42	2860	3.4
3B煤	5.12	2.08	32	1380	1.26
泥岩	9.98	4.75	30	2458	1.21
3A煤	5.12	2.08	32	1380	1.26
细砂岩	21.01	13.45	42	2860	3.4

3.3 边界条件

模型底面和侧面施加零位移约束，煤层埋深取900m，容重取2500kN/m3，故在模型顶部和侧面均施加22.5MPa的应力，首先计算初始应力平衡，然后开挖巷道后将位移和速度清零，而后开挖卸压槽，最终计算平衡。

4 数值模拟计算结果分析

4.1 巷道竖直应力对比分析

从竖直应力云图中监测点（0,5,17）到点（40,5,17）的竖直应力值，得到当卸压槽角度为0°时，应力峰值向围岩深处移动1m，且降低1%；当卸压槽角度为15°和30°时，应力峰值向深部围岩移动距离最大，均为1.5m，且分别降低了2.3%、2.4%；卸压槽角度为45°和60°时，应力峰值向岩层深部均移动了1m，但分别降低了1.6%、6%；当卸压槽角度为75°时，应力峰值向岩层深部移动0.5m，降低5%。故随着卸压槽角度的增大，应力峰值向岩层深部转移的距离和降低幅度均先增大后减小，在60°时降低幅度最大，但45°的降低幅度是一个降低点。虽然卸压槽角度为30°时应力峰值移动距离较60°时大，但60°更能弱化巷道所受的竖直应力。

4.2 巷道剪切应力对比分析

开挖不同角度卸压槽的回采巷道所受到的剪切应力如图1所示。

图1不同角度卸压槽剪切应力

从剪切应力云图中监测点（0,5,17）到点（40,5,17）的剪切应力值，得到当卸压槽角度为0°和15°时，应力峰值均向围岩深处移动1.5m，且0°增加了0.7%，15°降低了0.9%；当卸压槽角度为30°和45°时，应力峰值向深部围岩移动距离最大，均为2m，且分别降低了0.9%、3.4%；卸压槽角度为60°时，应力峰值向岩层深部移动1.5m，且降低了4.4%；当卸压槽角度为75°时，应力峰值向岩层深部移动1m，降低了4.2%。故随着卸压槽角度的增大，应力峰值向岩层深部转移的距离和降低幅度均先增大后减小，在60°时应力峰值降低幅度最大。

5 结论

通过结合卸压槽简化模型受力分析和数值模拟计算结果，可以得到以下结论：

（1）随着卸压槽角度的增大，巷道围岩所受应力峰值逐渐降低，且降低幅度也逐渐增大，应力峰值均向围岩深处移动，移动距离变化幅度不大。

（2）当卸压槽所受切应力最大时，即卸压槽角度为45°，巷道围岩所受到的竖直和水平应力不符合其余角度的变化规律，其应力峰值降低幅度较小，卸压槽所受切应力最大时卸压效果并不是最好。

（3）当卸压槽角度为60°时，竖直、剪切、水平应力峰值降低幅度最大，可认为弱化巷道围岩所受应力效果最好。

参考文献：

[1]潘一山,代连朋,李国臻,等.煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究[J].煤炭学报

[2] 朱斯陶,姜福兴,刘金海,等.我国煤矿整体失稳型冲击地压类型、发生机理及防治[J].煤炭学报

[3] 边相君.水力压裂切顶钻孔布置参数研究[J].陕西煤炭

作者简介：古鹏，职称：安全中级工程师，出生年月：1988年1月，籍贯：江西赣州。