近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区研究

高晓龙，何 峰，王振伟

（1．霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400；2．辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3．煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁 抚顺 113122）

·问题探讨·

近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区研究

高晓龙1，2，何 峰2，王振伟3

（1．霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400；2．辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3．煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁 抚顺 113122）

在我国，近距离煤层赋存和开采所占比重很大，吕梁矿区木瓜煤矿层间距小于10 m的可采储量占总储量的80%，上煤层已采完，回采工作面间遗留20 m区段煤柱，对下部煤层回采造成一定影响，所以，研究近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区具有重要的现实意义。针对木瓜煤矿近距离上煤层采空区、遗留煤柱下巷道维护和矿压显现严重的技术难题，基于近距离煤层上部煤层开采遗留煤柱应力集中会在底板中传递的规律，对下煤层应力影响范围进行了理论计算；并结合10-103工作面的生产技术条件，采用现场矿压监测方法，对工作面上部、中部、下部位置的液压支架监测数据进行分析，采取工作面调斜和加强超前支护措施，对近距离下部煤层过遗留煤柱应力集中区具有一定的指导意义。

近距离煤层；下煤层；遗留煤柱；应力集中区；矿压监测

在我国，近距离煤层赋存和开采所占比重很大，而吕梁矿区木瓜煤矿层间距小于10 m的可采储量占总储量的80%，而上煤层回采工作面间遗留20 m煤柱，对下部煤层回采造成一定影响，所以，研究近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区具有重要的现实意义［1-2］。近距离煤层上分层开采过程中，引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，使得煤层底板岩层也会发生一定的变形和破坏，进而对布置在下分层中的回采巷道的支护和维护造成极坏的影响［3-5］。

木瓜煤矿下煤层10-103工作面地质构造为一单斜构造，走向NW，倾向SE，煤层平均间距10 m。10-103工作面上部为9-101、9-201、9-203、9-205工作面采空区，留有20 m区段煤柱，具体工作面巷道布置见图1。

图1 10-103工作面巷道布置图

1 上煤层遗留煤柱在底板中应力传播规律

煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间及周围煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递。研究底板岩层中的应

力分布、破坏区和采动岩体的力学特性，对了解受上部煤层采动影响的底板岩层或邻近煤层巷道受力状况及矿压显现，选择合理的支护措施来控制围岩的变形具有指导意义。

根据岩土力学原理（见图2），集中力P对地下M点产生影响垂直应力σz计算见式（1）。

图2 半无限平面体集中力作用示意图

当作用在各向同性均质半无限平面体上的集中力为qdx时，如图2所示，在平面体内任一点（θ，r）引起的应力可以得到。

用直角坐标系（x，z）表示为：

运用叠加原理，可将以上结果推广到自由边界上受均布载荷的情况，如图3所示，即：

式中：

q—作用于底板岩体上的载荷。

图3 半无限平面体受均布载荷作用示意图

绘出均布载荷作用下，底板岩体中的应力分布见图4。沿载荷中心点下部轴线上的垂直应力σz最大，σz随深度的增加而减小，其影响范围为1．75B（B为煤柱载荷分布宽度）；水平应力σx的影响深度较浅，约为1．0B；剪应力τxz的影响约为2．0B，且最大值出现在载荷作用的边界处，所以，采场边缘下部的岩体容易产生剪切变形和破坏。底板岩层内应力分布呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，称为应力传递角φ，φ一般为25°～55°。木瓜矿实践取45°，层间距为10 m，得出超前支护范围为40 m。

图4 遗留煤柱在底板中应力分布示意图

2 遗留煤柱应力区下工作面矿压监测

10-103工作面共安装17台KJ216-A型综采支架压力监测分机，对综采支架当前工作阻力、当前循环初撑力、最大工作阻力进行连续监测。17台压力监测分机分别布置在上部（3#、13#、23#、33#、43#）、中部（43#、53#、63#、73#、83#、93#、103#）、下部（113#、

123#、133#、153#、163#）支架上。每个监测分机上的压力监测通道为2个，分别安装在支架立柱上，以监测它们的压力变化情况；对该工作面2012年4月20日—2012年5月22日推进期间液压支架工作阻力变化情况进行监测。

1）工作面推进到距煤柱应力区剩余30 m时，工作面煤壁片帮出现最大端面距为0．5～0．8 m，正巷两帮有明显的移近，移近量为50 mm，每推进1 m巷道顶底板变形量增加50～100 mm，超前支承压力影响范围达到50 m，根据应力分布云图（见图5）可以看出工作面压力有明显的增大。

图5 工作面应力分布云图

2）10-103工作面上部支架工作阻力变化情况（见图6）。由图6得出，支架工作阻力多数情况下维持在下限位置之上，且均能保证支架的初撑力，支架总体看来保持了较好的工作状态，4月21日至5月10日期间工作面推进比较缓慢，其他时间内工作面推进期间，均实现了带压移架，整个时间段内无明显的峰值区域，初步判定无明显周期来压现象。

图6 10-103工作面上部支架工作阻力变化情况图

3）10-103工作面中部支架工作阻力变化情况（见图7）。分析图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响加之平行于10-103工作面的9-2052巷的横向应力影响，支架工作阻力多数情况下维持在上、下限之间，表明工作面推进期间工作面中部支架较好地实现了带压移架，有利于工作面顶板支护。

图7 10-103工作面中部支架工作阻力变化情况图

由图7可知，在上限位置，多处出现锯齿状曲线波动，液压支架安全阀多次出现开启。整体看，曲线无明显峰值区域，判定工作面来压不明显或来压比较缓和。

4）10-103工作面下部支架工作阻力变化情况（见图8）。由图8可知：工作阻力多数在接近上限位置或超过上限位置，并且多处出现锯齿状曲线波动，液压支架安全阀多次出现开启现象。工作阻力有明显峰值区域，判定工作面老顶来压。

图8 10-103工作面下部支架工作阻力变化情况图

3 过遗留煤柱应力区下工作面回采实践

1）采取工作面调斜的方法迅速通过应力集中区域，分散煤柱集中区对回采工作面的影响。

正巷距上覆9-205工作面采空区40 m，副巷距上覆9-205工作面采空区43 m，鉴于工作面正巷矿

压显现，巷道帮鼓导致巷道宽度只有3．5 m，与转载机的最宽位置相同，巷道顶底板接近速度也明显加快，巷道高度平均在2．8 m，最低位置只有2．5 m，工作面2#、3#支架与工作溜子机头部的最高处间距不足15 cm，为保证工作面转载机的正常拉移，防止机头支架压死工作面刮板输送机机头，特采取了“4次机头，1次机尾”的方法调斜工作面，至工作面机头机尾错差16 m时，停止调斜，割通刀调整工作面。副巷推进到工作面机头距上覆9-205工作面采空区7 m，副巷距上覆采空区23 m，正巷采取了在加强支护及起底等措施后，生产条件转好；正巷距上覆9-205工作面采空区2 m，副巷推进至上覆9-205工作面采空区下，此时机尾快机头2 m，正巷生产条件较好，机尾173#架处需扩帮1．1 m，采取机头1次，机尾2次的方法继续调斜工作面，顺利通过应力集中区域。

2）正副两巷，增加超前支护距离、支护密度和强度；并进行预注浆，提高煤的支撑能力；同时采取扩帮起底的方法解决因矿压显现造成的巷道变形。

4 结 论

近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区研究是探讨上煤层遗留煤柱在底板中应力传播规律，通过工作面矿压监测和变形分析，提出木瓜煤矿10-103工作面过煤柱应力集中区措施，得出如下结论：

1）近距离煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，对回采空间及周围煤柱上造成应力集中，应力将向底板岩层深部传递。基于岩土力学原理研究底板岩层中的应力分布、破坏区，并根据应力传递角得出超前支护范围。

2）在10-103工作面对综采支架当前工作阻力、当前循环初撑力、最大工作阻力进行连续监测，得出了工作面应力分布云图及上、中、下部液压支架工作阻力变化，判定工作面来压状态。

3）根据木瓜矿的实际情况，提出了采取工作面调斜的方法迅速通过应力集中区域和加强超前支护强度及范围。实践证明，巷道围岩变形得到了显著的控制，并顺利通过遗留煤柱应力集中区。

［1］张百胜，杨双锁，翟英达，等．极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法的探讨［J］．岩石力学与工程学报，2008，27（1），97-101．

［2］谢文兵，史振凡．近距离跨采对巷道围岩稳定性影响分析［J］．岩土工程与力学学报，2004，23（12）：1986-1991．

［3］黄艳利，张吉雄．近距离煤层回采巷道合理布置方案［J］．煤矿安全，2009（09）：66-68．

［4］张胜云，何 峰．近距离下煤层安全开采矿压监测［J］．煤矿安全，2012（02）：25-28．

［5］李利东．近距离下煤层岩层破断监测及煤柱确定研究［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

高晓龙（1985—），男，山西霍州人，2005年毕业于山西省煤炭职业技术学院，助理工程师，主要从事矿山开采与研究工作（E-mail）gaoxiaolong69961＠163．com