近距離下煤層過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)研究

高曉龍，何 峰，王振偉

（1．霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400；2．遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3．煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧 撫順 113122）

·問題探討·

近距離下煤層過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)研究

高曉龍1，2，何 峰2，王振偉3

（1．霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400；2．遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3．煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧 撫順 113122）

在我國，近距離煤層賦存和開采所占比重很大，呂梁礦區(qū)木瓜煤礦層間距小于10 m的可采儲量占總儲量的80%，上煤層已采完，回采工作面間遺留20 m區(qū)段煤柱，對下部煤層回采造成一定影響，所以，研究近距離下煤層過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)具有重要的現(xiàn)實意義。針對木瓜煤礦近距離上煤層采空區(qū)、遺留煤柱下巷道維護(hù)和礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重的技術(shù)難題，基于近距離煤層上部煤層開采遺留煤柱應(yīng)力集中會在底板中傳遞的規(guī)律，對下煤層應(yīng)力影響范圍進(jìn)行了理論計算；并結(jié)合10-103工作面的生產(chǎn)技術(shù)條件，采用現(xiàn)場礦壓監(jiān)測方法，對工作面上部、中部、下部位置的液壓支架監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采取工作面調(diào)斜和加強(qiáng)超前支護(hù)措施，對近距離下部煤層過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)具有一定的指導(dǎo)意義。

近距離煤層；下煤層；遺留煤柱；應(yīng)力集中區(qū)；礦壓監(jiān)測

在我國，近距離煤層賦存和開采所占比重很大，而呂梁礦區(qū)木瓜煤礦層間距小于10 m的可采儲量占總儲量的80%，而上煤層回采工作面間遺留20 m煤柱，對下部煤層回采造成一定影響，所以，研究近距離下煤層過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)具有重要的現(xiàn)實意義［1-2］。近距離煤層上分層開采過程中，引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，不僅在回采空間周圍的煤柱上造成應(yīng)力集中，而且該應(yīng)力將向底板巖層深部傳遞，使得煤層底板巖層也會發(fā)生一定的變形和破壞，進(jìn)而對布置在下分層中的回采巷道的支護(hù)和維護(hù)造成極壞的影響［3-5］。

木瓜煤礦下煤層10-103工作面地質(zhì)構(gòu)造為一單斜構(gòu)造，走向NW，傾向SE，煤層平均間距10 m。10-103工作面上部為9-101、9-201、9-203、9-205工作面采空區(qū)，留有20 m區(qū)段煤柱，具體工作面巷道布置見圖1。

圖1 10-103工作面巷道布置圖

1 上煤層遺留煤柱在底板中應(yīng)力傳播規(guī)律

煤層采動引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，不僅在回采空間及周圍煤柱上造成應(yīng)力集中，而且該應(yīng)力將向底板巖層深部傳遞。研究底板巖層中的應(yīng)

力分布、破壞區(qū)和采動巖體的力學(xué)特性，對了解受上部煤層采動影響的底板巖層或鄰近煤層巷道受力狀況及礦壓顯現(xiàn)，選擇合理的支護(hù)措施來控制圍巖的變形具有指導(dǎo)意義。

根據(jù)巖土力學(xué)原理（見圖2），集中力P對地下M點(diǎn)產(chǎn)生影響垂直應(yīng)力σz計算見式（1）。

圖2 半無限平面體集中力作用示意圖

當(dāng)作用在各向同性均質(zhì)半無限平面體上的集中力為qdx時，如圖2所示，在平面體內(nèi)任一點(diǎn)（θ，r）引起的應(yīng)力可以得到。

用直角坐標(biāo)系（x，z）表示為：

運(yùn)用疊加原理，可將以上結(jié)果推廣到自由邊界上受均布載荷的情況，如圖3所示，即：

式中：

q—作用于底板巖體上的載荷。

圖3 半無限平面體受均布載荷作用示意圖

繪出均布載荷作用下，底板巖體中的應(yīng)力分布見圖4。沿載荷中心點(diǎn)下部軸線上的垂直應(yīng)力σz最大，σz隨深度的增加而減小，其影響范圍為1．75B（B為煤柱載荷分布寬度）；水平應(yīng)力σx的影響深度較淺，約為1．0B；剪應(yīng)力τxz的影響約為2．0B，且最大值出現(xiàn)在載荷作用的邊界處，所以，采場邊緣下部的巖體容易產(chǎn)生剪切變形和破壞。底板巖層內(nèi)應(yīng)力分布呈擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，數(shù)值等于自重應(yīng)力值的等值線與煤柱邊緣垂線的夾角，稱為應(yīng)力傳遞角φ，φ一般為25°～55°。木瓜礦實踐取45°，層間距為10 m，得出超前支護(hù)范圍為40 m。

圖4 遺留煤柱在底板中應(yīng)力分布示意圖

2 遺留煤柱應(yīng)力區(qū)下工作面礦壓監(jiān)測

10-103工作面共安裝17臺KJ216-A型綜采支架壓力監(jiān)測分機(jī)，對綜采支架當(dāng)前工作阻力、當(dāng)前循環(huán)初撐力、最大工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。17臺壓力監(jiān)測分機(jī)分別布置在上部（3#、13#、23#、33#、43#）、中部（43#、53#、63#、73#、83#、93#、103#）、下部（113#、

123#、133#、153#、163#）支架上。每個監(jiān)測分機(jī)上的壓力監(jiān)測通道為2個，分別安裝在支架立柱上，以監(jiān)測它們的壓力變化情況；對該工作面2012年4月20日—2012年5月22日推進(jìn)期間液壓支架工作阻力變化情況進(jìn)行監(jiān)測。

1）工作面推進(jìn)到距煤柱應(yīng)力區(qū)剩余30 m時，工作面煤壁片幫出現(xiàn)最大端面距為0．5～0．8 m，正巷兩幫有明顯的移近，移近量為50 mm，每推進(jìn)1 m巷道頂?shù)装遄冃瘟吭黾?0～100 mm，超前支承壓力影響范圍達(dá)到50 m，根據(jù)應(yīng)力分布云圖（見圖5）可以看出工作面壓力有明顯的增大。

圖5 工作面應(yīng)力分布云圖

2）10-103工作面上部支架工作阻力變化情況（見圖6）。由圖6得出，支架工作阻力多數(shù)情況下維持在下限位置之上，且均能保證支架的初撐力，支架總體看來保持了較好的工作狀態(tài)，4月21日至5月10日期間工作面推進(jìn)比較緩慢，其他時間內(nèi)工作面推進(jìn)期間，均實現(xiàn)了帶壓移架，整個時間段內(nèi)無明顯的峰值區(qū)域，初步判定無明顯周期來壓現(xiàn)象。

圖6 10-103工作面上部支架工作阻力變化情況圖

3）10-103工作面中部支架工作阻力變化情況（見圖7）。分析圖7工作面中部位置，其受工作面上覆9-2052探巷垂直于工作面影響加之平行于10-103工作面的9-2052巷的橫向應(yīng)力影響，支架工作阻力多數(shù)情況下維持在上、下限之間，表明工作面推進(jìn)期間工作面中部支架較好地實現(xiàn)了帶壓移架，有利于工作面頂板支護(hù)。

圖7 10-103工作面中部支架工作阻力變化情況圖

由圖7可知，在上限位置，多處出現(xiàn)鋸齒狀曲線波動，液壓支架安全閥多次出現(xiàn)開啟。整體看，曲線無明顯峰值區(qū)域，判定工作面來壓不明顯或來壓比較緩和。

4）10-103工作面下部支架工作阻力變化情況（見圖8）。由圖8可知：工作阻力多數(shù)在接近上限位置或超過上限位置，并且多處出現(xiàn)鋸齒狀曲線波動，液壓支架安全閥多次出現(xiàn)開啟現(xiàn)象。工作阻力有明顯峰值區(qū)域，判定工作面老頂來壓。

圖8 10-103工作面下部支架工作阻力變化情況圖

3 過遺留煤柱應(yīng)力區(qū)下工作面回采實踐

1）采取工作面調(diào)斜的方法迅速通過應(yīng)力集中區(qū)域，分散煤柱集中區(qū)對回采工作面的影響。

正巷距上覆9-205工作面采空區(qū)40 m，副巷距上覆9-205工作面采空區(qū)43 m，鑒于工作面正巷礦

壓顯現(xiàn)，巷道幫鼓導(dǎo)致巷道寬度只有3．5 m，與轉(zhuǎn)載機(jī)的最寬位置相同，巷道頂?shù)装褰咏俣纫裁黠@加快，巷道高度平均在2．8 m，最低位置只有2．5 m，工作面2#、3#支架與工作溜子機(jī)頭部的最高處間距不足15 cm，為保證工作面轉(zhuǎn)載機(jī)的正常拉移，防止機(jī)頭支架壓死工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭，特采取了“4次機(jī)頭，1次機(jī)尾”的方法調(diào)斜工作面，至工作面機(jī)頭機(jī)尾錯差16 m時，停止調(diào)斜，割通刀調(diào)整工作面。副巷推進(jìn)到工作面機(jī)頭距上覆9-205工作面采空區(qū)7 m，副巷距上覆采空區(qū)23 m，正巷采取了在加強(qiáng)支護(hù)及起底等措施后，生產(chǎn)條件轉(zhuǎn)好；正巷距上覆9-205工作面采空區(qū)2 m，副巷推進(jìn)至上覆9-205工作面采空區(qū)下，此時機(jī)尾快機(jī)頭2 m，正巷生產(chǎn)條件較好，機(jī)尾173#架處需擴(kuò)幫1．1 m，采取機(jī)頭1次，機(jī)尾2次的方法繼續(xù)調(diào)斜工作面，順利通過應(yīng)力集中區(qū)域。

2）正副兩巷，增加超前支護(hù)距離、支護(hù)密度和強(qiáng)度；并進(jìn)行預(yù)注漿，提高煤的支撐能力；同時采取擴(kuò)幫起底的方法解決因礦壓顯現(xiàn)造成的巷道變形。

4 結(jié) 論

近距離下煤層過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)研究是探討上煤層遺留煤柱在底板中應(yīng)力傳播規(guī)律，通過工作面礦壓監(jiān)測和變形分析，提出木瓜煤礦10-103工作面過煤柱應(yīng)力集中區(qū)措施，得出如下結(jié)論：

1）近距離煤層采動引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，對回采空間及周圍煤柱上造成應(yīng)力集中，應(yīng)力將向底板巖層深部傳遞?；趲r土力學(xué)原理研究底板巖層中的應(yīng)力分布、破壞區(qū)，并根據(jù)應(yīng)力傳遞角得出超前支護(hù)范圍。

2）在10-103工作面對綜采支架當(dāng)前工作阻力、當(dāng)前循環(huán)初撐力、最大工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，得出了工作面應(yīng)力分布云圖及上、中、下部液壓支架工作阻力變化，判定工作面來壓狀態(tài)。

3）根據(jù)木瓜礦的實際情況，提出了采取工作面調(diào)斜的方法迅速通過應(yīng)力集中區(qū)域和加強(qiáng)超前支護(hù)強(qiáng)度及范圍。實踐證明，巷道圍巖變形得到了顯著的控制，并順利通過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)。

［1］張百勝，楊雙鎖，翟英達(dá)，等．極近距離煤層回采巷道合理位置確定方法的探討［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（1），97-101．

［2］謝文兵，史振凡．近距離跨采對巷道圍巖穩(wěn)定性影響分析［J］．巖土工程與力學(xué)學(xué)報，2004，23（12）：1986-1991．

［3］黃艷利，張吉雄．近距離煤層回采巷道合理布置方案［J］．煤礦安全，2009（09）：66-68．

［4］張勝云，何 峰．近距離下煤層安全開采礦壓監(jiān)測［J］．煤礦安全，2012（02）：25-28．

［5］李利東．近距離下煤層巖層破斷監(jiān)測及煤柱確定研究［J］．山西焦煤科技，2012（03）：16-19．

Research on Left over Pillar Stress Concentration Zone in Close Distance Lower Coal Seam Mining

Gao Xiao-long，He Feng，Wang Zhen-wei

It has large proportion of the closed distance coal seam occurrence and mining in China，and recoverable mining coal reserves accounted for 80%of total reserves is less than 10 m layer spacing in Mugua coal mine of Lvliang mining area．The upper coal seam has mined out，coal mining face left over20 m pillar，which influences the lower coal seam mining．So the study of under closed distance lower coal seam crossing left over pillar stress concentration zone is the important practical significance．According to the technical issues of roadway maintenance and mine pressure appearing serious under closed distance upper coal goaf and leftover pillar in Mugua coal mine，based on the closed distance upper coal mining left over pillar stress concentration will be transmitted at the floor，the influence range of lower coal seam stress is theoretically calculated．And combined with the production technology conditions in 10-103 face，the methods of mine pressure monitoring is applied，the hydraulic support monitoring data in upper，middle and lower position of the face is analyzed，slope adjustment of working face and strengthening advanced supporting measures were taken，the results had certain guidance significance for close distance lower coal seam crossing left over pillar stress concentration zone．

Close distance coal seam；Lower coal seam；Leftover pillar；Stress concentration zone；Mine pressure monitoring

TD323

B

1672-0652（2013）07-0050-04

2013-05-13

高曉龍（1985—），男，山西霍州人，2005年畢業(yè)于山西省煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，主要從事礦山開采與研究工作（E-mail）gaoxiaolong69961＠163．com