煤柱下回采巷道礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律

陳　剛,　張大鵬

(1. 黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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煤柱下回采巷道礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律

陳剛1,張大鵬2

(1. 黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為揭示上層煤柱下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，有效控制圍巖變形，根據(jù)沙坪煤礦實(shí)際開采情況，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同開采條件時(shí)煤柱下回采巷道的圍巖分布規(guī)律，對煤柱下回采巷道錨桿工作載荷進(jìn)行現(xiàn)場觀測。數(shù)值模擬和觀測結(jié)果表明：當(dāng)8#上層所留煤柱兩側(cè)均為采空區(qū)時(shí)，煤柱下回采巷道圍巖應(yīng)力是煤柱一側(cè)采空時(shí)的1.5～1.8倍，嚴(yán)重影響下層回采巷道的穩(wěn)定性，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)確定合理的巷道位置和支護(hù)參數(shù)。

煤柱；采空區(qū)；有限元模擬；應(yīng)力

0　引　言

煤層開采以后，會在采空區(qū)形成壓力降低區(qū)，同時(shí)，在煤層內(nèi)所留設(shè)的保護(hù)煤柱上產(chǎn)生應(yīng)力集中，對下部煤層中的應(yīng)力分布和回采巷道布置產(chǎn)生重大的影響[1-2]。國內(nèi)外礦山工作者和科研人員對巷道布置方式、煤柱尺寸設(shè)計(jì)、煤柱應(yīng)力分布及煤柱下回采巷道圍巖控制進(jìn)行大量研究和生產(chǎn)實(shí)踐[3，4]。煤柱所處的位置不同，其應(yīng)力集中程度不同，對下部煤層中回采巷道圍巖分布規(guī)律影響也不相同[5]，掌握巷道兩幫及頂?shù)装鍛?yīng)力分布規(guī)律，對有效控制煤柱下回采巷道的穩(wěn)定、保證下部煤層采煤工作面安全高效生產(chǎn)有著重要意義[6-8]。因此，針對沙坪煤礦8#上煤層煤柱留設(shè)情況和8#下煤回采巷道布置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及觀測分析,研究其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,希望能為巷道布置和圍巖控制提供理論依據(jù)。

1　工作面地質(zhì)及開采條件

山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司所屬沙坪煤礦，目前開采的8#煤層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，西南部為合并層，東北分岔為8#上煤層和8#下煤層，兩個(gè)煤層均可采，各煤層煤層的平均厚度為4.73 m，層間間距3～11m，以泥巖為主。8#上煤層已經(jīng)基本采完，后續(xù)將進(jìn)入8#下煤層開采。8#上煤層18203采空區(qū)與18204采空區(qū)之間留有20 m保護(hù)煤柱，8#下煤層1807膠運(yùn)順槽在這個(gè)煤柱下，1807輔運(yùn)順槽在8#上煤層邊界煤柱下，具體位置如圖1所示。兩順槽頂部均采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護(hù)，頂板破碎地段采用錨索+鋼帶加強(qiáng)支護(hù)，兩幫均采用鋼錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)。

圖1　工作面順槽布置示意

2　應(yīng)力分布數(shù)值模擬

根據(jù)1807采煤工作面的實(shí)際情況,采用三維有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析[9-11].模擬主要內(nèi)容為8#上煤層保護(hù)煤柱應(yīng)力分布及8#下煤層中1807輔運(yùn)順槽和膠運(yùn)順槽圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。模擬尺寸620 m×210 m×100 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果,采用的煤巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　煤巖力學(xué)參數(shù)表

2.18#上煤層保護(hù)煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

1807工作面回采巷道圍巖應(yīng)力除受所處位置自然因素影響外，還取決于上層煤柱集中應(yīng)力的分布情況，如圖2所示。受18204采空區(qū)影響，8#上煤層邊界煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于煤柱外側(cè)為未受采支影響空間，所以邊界煤柱上的應(yīng)力大于該位置的原巖應(yīng)力，其分布是從采空區(qū)一側(cè)向煤內(nèi)部逐漸增加的，由圖2可以看出，其集中應(yīng)力的分布特點(diǎn)。

圖2　8#上煤層邊界煤柱支撐壓力分布

Fig. 2Abutment pressure of boundary pillar in No. 8 upper coal seam

由于受18203和18204采空區(qū)影響，支承壓力發(fā)生相互疊加，造成18204膠運(yùn)順槽保護(hù)煤柱集中應(yīng)力較大，其應(yīng)力達(dá)到邊界煤柱的1.8倍，具體分布特點(diǎn)為煤柱中部應(yīng)力高，兩側(cè)低，如圖3所示。這一集中力作用在8#上煤層底板和8#下煤層煤體上，是造成煤柱下掘進(jìn)的回采巷道圍巖變形量大，巷道變形劇烈的根本原因。1807工作面回采時(shí)，煤壁支撐壓力與上層煤柱支撐壓力疊加后，巷道變形將更為嚴(yán)重。

圖3　8#上煤層18204膠運(yùn)順槽保護(hù)煤柱支撐壓力分布

Fig. 3Abutment pressure of 18204 roadway protection coal pillar in No. 8 upper coal seam

2.28#下煤層煤柱下回采巷道應(yīng)力分布規(guī)律

8#下煤層中1807工作面膠運(yùn)順槽位于8#上煤層18204膠運(yùn)順槽保護(hù)煤柱下方，受18203和18204兩個(gè)采空區(qū)影響，1807工作面輔運(yùn)順槽位于8#上煤層邊界煤柱下方，僅受18204采空區(qū)影響，針對煤柱所受集中壓力不同的特點(diǎn)，分別對18204膠運(yùn)順槽保護(hù)煤柱和邊界煤柱下回采巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到各應(yīng)力分布如圖4～7所示。

a　雙側(cè)采空

b　單側(cè)采空

a　雙側(cè)采空區(qū)

b　單側(cè)采空區(qū)

Fig. 5Vertical stress of roadway surrounding rock under coal seam

由圖4～7可以看出，位于雙側(cè)采空A煤柱下的1807工作面膠運(yùn)順槽靠近煤柱內(nèi)側(cè)的巷幫(左幫)應(yīng)力σz最高，靠近采空區(qū)一側(cè)巷幫(右?guī)?應(yīng)力σy次之，然后是巷道頂板σd，底板σf壓力最小。其左幫平均應(yīng)力達(dá)到右?guī)偷?.46倍，因此，在支護(hù)時(shí)要重點(diǎn)考慮該巷道的左側(cè)巷幫，適當(dāng)增加支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)密度。

a　遠(yuǎn)離采空區(qū)

b　靠近采空區(qū)

Fig. 6Stress distribution of roadway’s side under coal pillar

a　頂板應(yīng)力

b　底板應(yīng)力

位于8#下煤層邊界煤柱下的1807工作面輔運(yùn)順槽受單側(cè)采空區(qū)B影響，煤柱支撐壓力變化幅度較膠運(yùn)順槽小，應(yīng)力分布特點(diǎn)是靠近煤柱內(nèi)側(cè)的巷幫(右?guī)?應(yīng)力最高，靠近采空區(qū)一側(cè)巷幫(左幫)應(yīng)力次之，然后是巷道頂板，底板壓力最小，其右?guī)推骄鶓?yīng)力為左側(cè)巷幫的1.38倍。

對兩巷圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行對比可以看出，位于雙側(cè)采空煤柱下的1807工作面膠運(yùn)順槽圍巖壓力高于位于8#下煤層邊界煤柱下的1807工作面輔運(yùn)順槽圍巖所受的壓力，靠近煤柱內(nèi)側(cè)巷幫為1.7倍，靠近采空區(qū)一側(cè)為1.6倍，頂?shù)装逡策_(dá)到1.6倍，因此1807工作面膠運(yùn)順槽礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。

3　現(xiàn)場礦壓觀測分析

采用CMSW6(A)礦用本安型錨桿錨索無損檢測儀對1807工作面膠運(yùn)順槽和1807工作面輔運(yùn)順槽錨桿受力進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，分別在兩條巷道中部相對應(yīng)位置設(shè)置3個(gè)測區(qū)，觀測頂板和巷幫的錨桿的工作載荷，測區(qū)間距20 m。觀測結(jié)果見表2。

表2　錨桿的工作載荷觀測

錨桿觀測數(shù)據(jù)表明，受上煤層雙側(cè)采空區(qū)影響的1807工作面膠運(yùn)順槽錨桿工作載荷高于受上煤層單側(cè)采空區(qū)影響的1807工作面輔運(yùn)順槽，膠運(yùn)順槽頂板錨桿工作載荷平均值達(dá)到輔運(yùn)順槽的1.65倍，幫錨桿為1.26倍。

根據(jù)現(xiàn)場情況，1807膠運(yùn)順槽靠近開切眼一側(cè)已經(jīng)出現(xiàn)大量片幫和底鼓現(xiàn)象，因此下煤層回采巷道布置時(shí)應(yīng)根據(jù)上層煤柱留設(shè)情況、煤柱應(yīng)力分布情況合理布置，盡可能把下層回采巷道布置在上層煤柱支撐壓力影響區(qū)以外。當(dāng)下層回采巷道必須布置在煤柱支撐壓力范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)高應(yīng)力一側(cè)的支護(hù)強(qiáng)度，保證巷道的穩(wěn)定。通過調(diào)整開采順序，減少煤柱上的應(yīng)力疊加程度，結(jié)合巷道圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4　 結(jié)　論

(1)上層煤開采后所留設(shè)的保護(hù)煤柱會產(chǎn)生應(yīng)

力集中，煤柱與采空區(qū)位置關(guān)系不同時(shí)，煤柱上的支撐壓力分布不同，應(yīng)力集中系數(shù)也不同。因此不同位置的煤柱下開掘的巷道其圍巖應(yīng)力分布也不相同，下煤層回采巷道布置時(shí)應(yīng)根據(jù)上層煤柱留設(shè)情況、煤柱應(yīng)力分布情況合理布置，盡可能把下層回采巷道布置在上層煤柱支撐壓力影響區(qū)以外。

(2)調(diào)整開采順序，可以減少煤柱上的應(yīng)力疊加程度，避免煤柱下方回采巷道應(yīng)力過于集中，使其易于掘進(jìn)和維護(hù)。

(3)數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，煤柱下開掘的回采巷道兩幫煤體上所承受的壓力不同，作用在支護(hù)材料上的力也不同，靠近煤體內(nèi)部壓力大，靠近采空區(qū)一側(cè)壓力小。因此，應(yīng)根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)高應(yīng)力一側(cè)的支護(hù)強(qiáng)度，保證巷道的穩(wěn)定。

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(編輯徐巖)

Study on law behind underground stress at gateway under coal pillars of an upper coal seam

CHENGang1，ZHANGDapeng2

(1. Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College,Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022， China;2. School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper presents an insight into the mechanism underlying how underground stress occurs at the mining gateway under coal pillar to provide an effective control of the deformation of surrounding rock. This unique insight is achieved by applying numerical simulation method with which to analyze the stress distribution of the gateway under coal pillar in different mining conditions in Shaping coal mine and conduct the field observation of the load of bolts in gateway. The observation and numerical simulation show that the surrounding rock stress of the gateway under coal pillar with gob on either side is 1.5 to 1.8 times that of the gateway under coal pillar with gob on one side, producing a great effect on the stability of roadway under the pillar. This requires that the design follow the stress distribution characteristics as a way of determining a reasonable roadway position and supporting parameters based on.

coal pillar; gob; finite element simulation; stress

2015-12-25

黑龍江省普通高校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2013-KF07)

陳剛( 1979- )，男，黑龍江省大慶人，副教授，碩士，研究方向: 采煤方法與礦山壓力控制，E-mail chengang0607@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.004

TD353

2095-7262(2016)01-0013-04

A