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探讨巷道开挖稳定后煤体的应力分布情况

2020-07-04 480 上传者：管理员

摘要：为确保钻孔瓦斯的有效抽放,利用ANSYS软件,对巷道开挖稳定后煤体的应力分布情况进行分析,找出巷道漏气带及应力集中区的范围,最终确定钻孔封孔合理深度,对提高封孔效果具有重要意义。

关键词：
合理深度
围岩应力
封孔
流变学
瓦斯抽放
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1、概况

屯兰矿位于山西省古交市西部，东西宽11km，南北长12km，总面积80km2。可采煤层为2#、7#、8#、9#煤层，煤层倾角2～10°,所采28110工作面整体呈单斜构造，工作面走向长1039～1071m、倾斜长177m、煤层倾角2～5°、煤层平均厚度2.2m。开采方法为综合机械化沿倾斜方向后退长壁式采煤，一次采全高。该矿煤层瓦斯压力为0.52MPa，煤层瓦斯含量为10.96m3/t，煤的孔隙率为9.17%，煤层透气性系数为2.83m2/（MPa2·d），百米钻孔瓦斯衰减系数为0.0031d-1。参考瓦斯抽采难易程度划分指标，28110工作面煤层属于可抽放煤层。根据相邻的28106工作面的统计分析：28106工作面回采期间绝对瓦斯涌出量平均为21.25m3/min，工作面瓦斯抽放量平均为13.85m3/min；对28110工作面煤层瓦斯预抽有利于煤层回采[1]。

2、ANSYS数值模拟分析

利用ANSYS软件结构分析功能对巷道开挖稳定后煤体的应力分布情况进行分析，从应力分布云图中找出巷道漏气带及应力集中区的范围，最终确定钻孔封孔合理深度。

封孔试验地点主要为28110工作面的上下顺槽。

28110工作面地面标高1066～1226m，工作面的煤层底板标高780～837m。初始垂直应力为自重应力，试验地点煤层埋深约为300m，岩石的密度为25kN/m3。根据自重应力公式求出对应垂直应力约为7.5MPa，施加在模型的上部边界；水平应力取各向等值，由数值模拟软件自行算出。采面煤层的顶、底板岩体分布情况如表1所示。岩体力学参数如表2所示。

表128110工作面煤层顶底板岩层情况

表228110工作面岩体力学参数

本次数值模拟采用ANSYS软件的二维实体模型，主要模拟28110轨道巷800m处巷道掘进后达到初始平衡的过程，同时分析掘进后周围煤岩体的应力集中区和巷道漏气带的变化规律，从而初步确定巷道漏气带及应力集中峰值的范围，为封孔深度的确定提供依据。由于抽采钻孔间距较大，对应力分布影响小，此数值模拟中不考虑。该地点为全煤巷道，且煤层倾角近似水平，为了简化模型，以矩形巷道代替梯形巷道，矩形巷道宽为4.5m，煤层厚度2.2m，矩形巷道中心为网格模型原点，平行煤层右方向为X轴正方向，垂直煤层向上为Y轴正方向。二维模型施加的边界条件：底部边界采用固支，围岩上方边界施加垂直地应力（7.5MPa）载荷，左右边界铰支（X轴方向固定，Y轴方向可移动）。整个模型为矩形，X轴方向长50m,Y轴方向长49.59m。煤岩层呈现层状分布。

ANSYS软件模拟巷道变形、围岩巷道漏气带分布、围岩水平应力分布和围岩垂直应力分布，结果如图1～4所示。

图1巷道变形

图2围岩巷道塑性区分布

图4围岩垂直应力分布

图3围岩水平应力分布

数值模拟结果分析如下。(1)由围岩变形图1可知，顶板和侧向压力均比较大，巷道截面被严重压扁，靠近巷道的煤层变薄，巷道两帮变形严重。(2)由围岩巷道漏气带分布图2可知，围岩巷道漏气带主要集中在巷道两帮煤层中，煤层的硬度及弹性模量相对煤层顶底板较小；顶底板巷道漏气带较小。巷道漏气带范围为0～7m。(3)由水平应力图3可知，水平应力在靠近煤壁处最低（0.254～2.01MPa），越往里水平应力越大直至应力峰值，然后逐渐降低至原始应力值方才稳定。(4)由垂直应力图4可知，巷道受掘进扰动影响以后，破坏了原始围岩应力平衡，巷道围岩应力重新分布；由于巷道是沿着煤层顶底板掘进的，煤层顶底板岩层的弹性模量比煤层弹性模量大的多，靠近巷道的煤层顶底板应力急剧降低，其垂直应力向巷道两帮转移使巷道两帮呈现应力集中，在距离巷道帮0～7m范围为应力降低区（4.2～7.5MPa），在距离巷道帮7～12.65m范围为应力集中带（7.5～12.45MPa），距离巷道帮10m左右应力达到了峰值（12.45MPa)[2]，再往里属于原始应力区（应力约为7.5MPa）。

3、瓦斯抽放钻孔合理封孔深度确定

根据以上论述，利用ANSYS软件，数值模拟得出了巷道掘进达到再次平衡后围岩的应力区和巷道漏气带的分布。经过理论分析，确定了巷道两帮围岩应力降低区的范围在0～7m，封孔深度处在这一范围就会导致钻孔吸入大量的空气，降低瓦斯抽采的浓度；数值模拟为封孔深度的确定提供了基础参数。数值模拟中，计算得出的巷道漏气带的范围在0～7m，在此范围内，煤体较软，可能较破碎而出现裂隙和裂缝，为了有较好的封孔效果，封孔深度应超过此区域，这样可以有效地避免钻孔吸入大量空气。通过ANSYS软件数值模拟确定的28110工作面封孔地点的合理封孔深度在7～10m。

参考文献:

[1]蔡永乐,胡创义.矿井通风与安全[M].北京:化学工业出版社,2013.

[2]王永安.瓦斯抽放钻孔封孔方法的改进[J].山西煤炭,2006(3):26-27.

刘先新.瓦斯抽放钻孔合理封孔深度研究[J].能源技术与管理,2020,45(03):46+57.