程 蓬

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室，北京 100013)

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近距離煤層煤柱集中應(yīng)力傳遞及巷道分區(qū)支護(hù)對策研究

程 蓬1，2，3

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室，北京 100013)

針對我國近距離煤層群開采現(xiàn)狀和研究進(jìn)展情況，以西山礦區(qū)杜兒坪礦實際條件為工程背景，采用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，分析上部煤層開采后殘留煤柱集中應(yīng)力對下部巖層應(yīng)力分布狀態(tài)的影響，分析不同煤柱尺寸、不同底板深度條件下煤柱集中應(yīng)力在下部底板中傳遞規(guī)律，根據(jù)下部巖層應(yīng)力分布特征劃分不同應(yīng)力區(qū)域，提出不同圍巖應(yīng)力條件下巷道支護(hù)對策，并進(jìn)行井下工業(yè)試驗，取得良好的支護(hù)效果。

近距離煤層；煤柱；應(yīng)力傳遞；巷道分區(qū)支護(hù)

我國近距離煤層群分布范圍廣泛，如：西山、大同、神華、平頂山、汾西、呂梁、兩淮等礦區(qū)，涉及到煤炭資源儲量大、分布廣、開采強(qiáng)度高，是煤炭開采領(lǐng)域普遍性難題。不同于單一煤層開采，近距離煤層群開采具有特殊性和復(fù)雜性。由于上下煤層間距小，煤層群開采相互擾動顯著，圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，甚至巷道圍巖完整性在開采之前受到破壞，控制和維護(hù)難度極大，有時甚至需要二次和多次返修，對生產(chǎn)和安全造成很大影響。

根據(jù)煤層群的開采順序，近距離煤層群開采可分為下行式開采和上行式開采兩種，國內(nèi)外對此開展了大量研究。煤層群上行開采主要研究圍繞上行開采的判定方法，以下部煤層開采不破壞上部煤層的完整性和連續(xù)性為前提，通過上下煤層層間距離高度作為判定標(biāo)準(zhǔn)，提出了多種煤層群上行開采的判定方法，如實踐經(jīng)驗法、比值判定法、“三帶”判別法、圍巖平衡法等。大多數(shù)情況下，近距離煤層群以下行式順序開采為主，下部煤層回采巷道的布置方式及巷道圍巖控制技術(shù)是近距煤層群下行開采的核心問題。文獻(xiàn)[1]和[2]對上部煤層采動狀況、巷道圍巖性質(zhì)進(jìn)行分析，提出了下部煤層與上部煤柱垂直高度Z和水平高度X的定量性關(guān)系。文獻(xiàn)[3]研究了極近距煤層下部煤層巷道位置確定方法，提出采用應(yīng)力改變率選擇下部煤層回采巷道合理位置。文獻(xiàn)[4]分析了深井近距離煤層群回采巷道變形破壞的原因，提出多策略相結(jié)合的圍巖控制對策。文獻(xiàn)[5]對比分析了近距煤層下部回采巷道采用內(nèi)錯、外錯和重疊布置巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行了工程實踐。另外煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院針對近距煤層煤柱應(yīng)力和圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究[6-8]。本文以西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦為工程背景，運(yùn)用數(shù)值計算方法，分析近距煤層上覆巖層開采后對下部底板巖層應(yīng)力分布的影響，根據(jù)下部巖層巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，提出一種新型近距煤層判定方法。

1 工程背景

西山煤電集團(tuán)是我國典型的近距離煤層開采礦區(qū)，因其特殊的煤層賦存條件，礦區(qū)普遍賦存兩組近距離煤層群，即石炭系山西組的2號和3號近距煤層，二疊系太原組的8號和9號近距煤層。圖1為礦區(qū)典型的近距煤層圍巖綜合柱狀，分別為2號和3號煤近距離煤層，以及8號和9號煤近距離煤層，從柱狀圖可以看出上下煤層間距小，屬于典型的近距煤層。2015年西山礦區(qū)生產(chǎn)原煤27.8Mt，其中近距離下部煤層出煤量達(dá)到9.53Mt，占總產(chǎn)量的34%，近距煤層開采在西山礦區(qū)十分普遍，涉及煤炭儲量多，所占比重大，巷道支護(hù)難度高。杜兒坪礦是西山煤電下屬主力礦井之一，近年來隨著采區(qū)的不斷延伸，開采深度逐年加大，最大埋藏深度超過600m，特別是近距離煤層下部回采巷道，巷道支護(hù)難度持續(xù)增加，復(fù)雜難支護(hù)巷道比例明顯增大，有些巷道在掘進(jìn)期間巷道變形十分劇烈，如南九采區(qū)73902膠帶巷，采用重疊布置，巷道掘進(jìn)后壓力顯現(xiàn)十分劇烈，巷道嚴(yán)重變形，礦壓現(xiàn)象十分明顯，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平看?，特別是兩幫變形十分顯著，存在多處錨桿破斷和螺母滑絲的現(xiàn)象，多處鋼帶被錨桿托盤剪穿，巷道多處采用二次加棚后才能勉強(qiáng)進(jìn)行回采。

圖1 西山礦區(qū)典型的近距煤層群賦存柱狀

2 煤柱集中應(yīng)力在底板傳遞特征

以杜兒坪礦南九采區(qū)開采條件為工程背景，研究不同方案下近距煤層開采煤柱集中應(yīng)力在底板分布規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型

通過三維FLAC有限元數(shù)值模擬軟件計算上部煤層開采殘留煤柱集中應(yīng)力在底板巖層分布規(guī)律。計算模型的煤、頂?shù)装鍘r層及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型寬度300m，高度90m，劃分58000個單元和66330個節(jié)點(diǎn)，上部煤層工作面模擬回采長度100m，煤層平均賦存深度500m，2號煤層工作面煤柱尺寸分別設(shè)置為10m，20m和30m。邊界條件為模型底部垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，在模型上部表面施加垂直應(yīng)力。

表1 數(shù)值計算模型巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 上層煤柱集中應(yīng)力在下部底板中的傳遞

近距離煤層上部煤層開采后引起礦山壓力的重新分布，上部煤層工作面殘留煤柱出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于應(yīng)力的傳遞效應(yīng)，造成下部巖層圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著變化，因此分析上部煤層回采后煤柱集中應(yīng)力分布狀態(tài)是確定下部巷道合理空間位置和巷道支護(hù)方法的前提條件。通過數(shù)值軟件，得出不同煤柱尺寸大小B以及下部巖層深度Z條件下底板巖層應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖2所示。

通過對上述數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)煤柱尺寸為10m時，煤柱底板巖層垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，此時煤柱垂直應(yīng)力分布呈“單峰”拋物線形態(tài)，隨著底板深度的增大，巖層垂直應(yīng)力顯著降低。如圖2(a)所示，其中底板下方20m范圍內(nèi)變化尤為明顯，當(dāng)?shù)装迳疃葹?m，10m，15m和20m時，對應(yīng)底板巖層垂直應(yīng)力峰值分別為44.0MPa，30.7MPa，23.4MPa和19.4MPa，降低幅度為13.3MPa，7.3MPa和4MPa。

(2)當(dāng)煤柱尺寸增加至20m時，煤柱底板巖層垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯降低，此時煤柱垂直應(yīng)力存在不明顯的“雙峰”形態(tài)，此時隨著底板深度的增大，巖層垂直應(yīng)力降低幅度明顯減小。如圖2(b)所示，當(dāng)?shù)装迳疃葹?m，10m，15m和20m時，對應(yīng)底板巖層垂直應(yīng)力峰值分別為27.9MPa，24.2MPa，21.5MPa和19.3MPa，分別降低3.7MPa，2.7MPa和2.2MPa。

(3)當(dāng)煤柱尺寸增加至30m時，煤柱底板巖層垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)一步降低，此時煤柱垂直應(yīng)力分布存在明顯的“雙峰”形態(tài)，此時隨著底板深度的增大，巖層垂直應(yīng)力降低幅度也進(jìn)一步減小。如圖2(c)所示，當(dāng)?shù)装迳疃葹?m，10m，15m和20m時，對應(yīng)底板巖層垂直應(yīng)力峰值分別為24.4MPa，21.1MPa，19.7MPa和18.6MPa，分別降低3.3MPa，1.4MPa和1.1MPa。

圖2 不同條件下底板巖層垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

對比可見，煤柱尺寸和底板深度對下部巖層垂直應(yīng)力分布狀態(tài)和集中程度影響十分明顯。圖3為不同煤柱尺寸和不同深度條件下底板巖層垂直應(yīng)力集中系數(shù)，當(dāng)煤柱尺寸和深度較小時，底板巖層應(yīng)力集中尤為明顯，隨著煤柱尺寸和底板深度的增加，底板巖層應(yīng)力集中系數(shù)逐漸降低。當(dāng)?shù)装迳疃瘸^20m時，不同煤柱尺寸條件下底板垂直應(yīng)力集中系數(shù)相差不大，并隨著深度的增大逐漸向原巖應(yīng)力狀態(tài)趨近。

圖3 不同煤柱、不同深度底板巖層垂直應(yīng)力集中系數(shù)

3 集中煤柱下巷道分區(qū)支護(hù)對策

圍巖應(yīng)力狀態(tài)是影響巷道穩(wěn)定性的重要因素，近距煤層上部煤層開采后下部巖層圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，因此分析巷道圍巖所處的應(yīng)力規(guī)律，研究不同應(yīng)力狀態(tài)下巷道支護(hù)方法十分重要。圖4是杜兒坪礦南九采區(qū)上部2號煤層開采后下部3號煤層所處巖層圍巖應(yīng)力分布狀況，根據(jù)垂直應(yīng)力分布特征，將杜兒坪礦南九采區(qū)3號煤層應(yīng)力狀態(tài)劃分為3個區(qū)域，即：低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力梯度區(qū)和高應(yīng)力區(qū)。

圖4 南九采區(qū)2號煤層回采后下部3號煤圍巖應(yīng)力區(qū)域劃分

表2為不同應(yīng)力區(qū)應(yīng)力范圍、分布區(qū)域、應(yīng)力特征和支護(hù)對策。

如表2所示，對于近距煤層下部巷道布置和支護(hù)而言，應(yīng)充分考慮垂直應(yīng)力量值，應(yīng)力變化幅度以及巷道支護(hù)對策等情況。對于杜兒坪南九采區(qū)的開采條件，將3號煤層巷道布置在低應(yīng)力區(qū)，即：距離上部2號煤層殘留煤柱中心線水平距離13m范圍外，對于后期巷道支護(hù)和維護(hù)將十分有利。為此礦方后續(xù)在設(shè)計73903工作面軌道巷時，將73903工作面軌道巷采用內(nèi)錯15m布置，巷道位于低應(yīng)力區(qū)，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷道支護(hù)效果理想，如圖5(a)所示，巷道變形和破壞很小，相比之下臨近的73902工作面膠帶巷，采用重疊布置，巷道位于高應(yīng)力梯度區(qū)，巷道變形破壞十分嚴(yán)重，如圖5(b)所示，巷道在服務(wù)期間不得不經(jīng)過多次返修和維護(hù)。

表2 近距煤層下部巖層不同應(yīng)力區(qū)域劃分及支護(hù)對策

備注：X代表距離上部2號煤層殘留煤柱中心線的水平距離，m。應(yīng)力解除法包括煤柱爆破卸壓技術(shù)，水壓致裂應(yīng)力解除法等。

圖5 井下支護(hù)對比示意

4 結(jié) 論

(1)近距煤層群上部工作面煤柱尺寸和底板深度對下部巖層垂直應(yīng)力分布狀態(tài)和集中程度影響十分明顯。當(dāng)煤柱尺寸和深度較小時，底板巖層應(yīng)力集中尤為明顯，此時下部巖層應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，隨著煤柱尺寸和底板深度的增加，底板巖層應(yīng)力集中系數(shù)逐漸降低。

(2)下部巖層距離上部煤層工作面的深度是影響下部巖層垂直應(yīng)力的關(guān)鍵因素，當(dāng)?shù)装迳疃瘸^20m時，不同煤柱尺寸條件下底板垂直應(yīng)力集中系數(shù)相差不大，并隨著深度的增大逐漸向原巖應(yīng)力狀態(tài)趨近。

(3)針對杜兒坪礦南九采區(qū)上部2號煤層開采條件，根據(jù)下部3號煤層垂直應(yīng)力分布特征，將3號煤層應(yīng)力狀態(tài)劃分為3個區(qū)域，分別為低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力梯度區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，根據(jù)下部巖層應(yīng)力分布特征劃分不同應(yīng)力區(qū)域，提出不同圍巖應(yīng)力條件下巷道支護(hù)對策，并進(jìn)行井下工業(yè)試驗，取得良好的支護(hù)效果。

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[責(zé)任編輯：鞠文君]

Stress Concentration Transmission of Coal Pillar with Contiguous Coal Seam and Roadway Partitioned Supporting Measures

CHENG Peng1，2，3

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China)

To the studying development and mining state of contiguous coal seam group in home，it taking practical situation of Duerping coal mine in Xishan coal district as engineering background，then the influence that residual coal pillar stress concentration to the stress distribution state of bottom strata after upper coal seam mined were analyzed by theory analysis and numerical simulation，the transmission law that coal pillar concentration stress in different coal pillar size and different floor depth transmitted in bottom floor were analyzed，different stress regions were divided according stress distribution characters of bottom strata，then roadway supporting measures under different surrounding rock stress condition were put forward，then practiced in field，supporting results was good.

contiguous coal seam，coal pillar；stress transmission；roadway partitioned supporting

2016-07-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.009

國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項目(U1261211)；自然科技基金青年基金項目(51304119)；天地科技開采設(shè)計青年創(chuàng)新基金項目(KJ-2015-TDKC-14)

程 蓬(1985-)，男，安徽宣城人，碩士，主要從事煤礦巷道支護(hù)技術(shù)研究。

程 蓬.近距離煤層煤柱集中應(yīng)力傳遞及巷道分區(qū)支護(hù)對策研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：31-34.

TD353

A

1006-6225(2016)06-0031-04