近距离下部煤层综采面过遗留煤柱应力集中区对策研究

屈　平

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西吕梁033102）



近距离下部煤层综采面过遗留煤柱应力集中区对策研究

屈平

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西吕梁033102）

摘要：针对木瓜煤矿近距离煤层群开采的实际状况，分析了上部煤层遗留煤柱应力分布规律及对下部煤层的影响范围，提出了下部煤层回采过遗留煤柱应力集中区的方法及措施，，工程实践取得了良好效果。

关键词：近距离煤层；遗留煤柱；应力集中；调斜

1　工程背景

木瓜煤矿主采9号煤与10号煤层。10-103工作面位于西二盘区，地质构造为一单斜构造，与9号煤层平均间距10 m。10-103工作面上部有9-101、9-201、9-203、9-205四个工作面采空区，工作面间均留有20 m区段煤柱。10-103工作面巷道布置及上部遗留煤柱分布见图1。

图1　10- 103工作面巷道布置及上部遗留煤柱分布图

2　上部煤层遗留煤柱应力在底板及下部煤层的分布规律

上部煤层回采后，遗留煤柱产生较大应力，该应力将向底板岩层及下部煤层深部传递。依据岩土力学原理[1]，见图2，应力集中点P对下部M点产生垂直应力σz计算见式（1）。

如图3所示，当作用于半无限平面体上的集中力为qdx时，设平面体为各向同性均质体，平面体内任一点（θ，r）的应力为：

根据叠加原理，由式（2）、式（3）、式（4）可得出自由边界上受均布载荷时的应力为：

式中：q为作用于底板岩体上的载荷。

根据式（5），可以得到均布载荷作用下底板岩体的应力分布规律：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，主要影响深度为6.25l（l为载荷分布宽度）；水平应力σx影响深度较浅，约为1.5l；剪应力τxz的影响深度约为2l，其最大值位于载荷作用的边界处，这是造成采场边缘下部岩体易产生剪切变形和破坏的主要原因。

图3　半无限平面体受均布载荷图

根据弹性力学理论[2]，求解平面问题主应力的公式为：

将式（5）代入上式，且令α=θ2-θ1，可以得到底板岩体最大、最小主应力：

最大剪应力可由下式求得：

当α=π/2时，剪应力达到极值，

上式表明，剪应力的极值发生在以分布载荷宽度l为直径的半圆线上。由此可知，底板中最大剪应力达到的最大深度为：

根据数值模拟结果，见图4，9号煤工作面开采后，工作面间遗留煤柱产生应力集中，沿岩层倾斜方向较低一侧的应力集中程度远大于另一侧，即模型中工作面煤层采出上方覆岩垮落后，应力向煤柱转移，而煤柱有一定的倾角，集中应力将向煤柱较低一侧转移。

上述理论及数值模拟结果，为确定上部煤层采后的底板应力状况提供了理论基础。

图4　煤柱周围垂直应力分布

3　下部煤层开采过遗留煤柱应力集中区对策

3.1工作面顶板管理方法

针对工作面开采过程中可能出现的顶板掉顶、滚矸、煤壁片帮等影响安全回采的因素，应提前做好预防及处理措施，并采取一系列合理的技术来保证安全。

1）工作面顶板支护采用追机拉架方式及时支护暴露顶板，即紧跟前滚筒拉架，拉架后要及时将护帮板伸出，使煤壁不要轻易发生片帮现象[3]。

2）工作面煤壁片帮严重、端面距超过规定要求时采取超前拉架，提前将支架拉出，尽量减小端面距，必要时采用延长前探梁的方法，延长支架支护范围，即在支架前探梁下用锚链将工字钢与前探梁连在一起做延长梁使用。

3）工作面在生产过程中，顶板要割平，不留顶煤，工作面要割直。近距离煤层由于受上覆采空区和煤柱影响，顶板裂隙较发育，若顶板不平，支架错差大，则易发生冒顶现象；另外，动压影响线在工作面近直线范围内分布，若工作面割不直，则局部受动压影响较大而造成冒顶。

3.2加强工作面生产组织及回采机组管理

1）根据现场正、副巷巷道变形情况，在工作面距煤柱应力区20 m时，调整机头、机尾刀数，采用长短刀结合的方法，调斜工作面逐步通过煤柱应力集中区，减少工作面暴露在煤柱压力区下的范围，机组前滚筒割煤后及时带压拉架，减少顶板暴露时间。

2）在煤柱应力区距工作面马蹄儿机尾30 m时，对煤柱应力区进行全断面起底，保证巷道最低点距底板不小于3.5 m。在工作面距煤柱应力区50 m时，工作面正、副巷超前支护长度更改为50 m，全部为双排，柱距0.6 m，使用软连接。

3）在工作面转载机过渡段进入煤柱应力区后，因巷道底鼓造成巷道高度低于3.3 m时，对巷道进行二次起底，保证巷道最低点距底板不小于3.5 m。观测顶底板接近量大于0.5 m时，采取在转载机过渡段对底板起底后施工底锚杆措施，加强维护。

4）观察破碎机前巷道帮鼓情况，若巷道宽度小于3.9 m，在巷道行人侧进行扩帮，保证巷道宽度不小于4.2 m，扩帮后，及时在巷帮支设贴帮柱，柱距0.6 m，单体柱与巷帮间加设板梁支护煤帮。

5）若工作面顶板破碎，支架顶梁前端发生漏顶等现象，应及时用板梁维护顶板，确保支架接顶严实后再割煤。

6）在工作面漏顶后，顶板难以控制时，必须制定专项措施，采取注化学浆马丽散等方法，及时控制煤壁片帮，防止漏顶距离扩大。

4　结束语

在分析近距离上部煤层遗留煤柱应力在底板中的传递规律及影响范围的基础上，从加强工作面顶板管理、加强工作面生产组织及回采机组管理两个方面，采取应对措施来保障回采工作面通过遗留煤柱应力集中区，重点强调了工作面调斜迅速通过应力集中区的方法。实践证明，通过采取措施，巷道围岩变形得到了较好控制，回采工作面能够快速顺利通过遗留煤柱应力集中区。

参考文献：

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，2003.

[2]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，1992.

[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（9）:66- 68.

（编辑：李森森）

Countermeasures on Fully-mechanized Mining Face of Closed Distance Lower Coal Seam Passing Stress Concentration Area of Left Coal Pillars

QU Ping
（Fangshan Mugua Mine, Lvliangshan Coal & Electricity Co., Ltd., Huozhou Coal & Electricity Group, Lvliang 033102, China）

Abstract:According to the mining of closed distance coal seam group in Mugua Mine, the paper analyzes the stress distribution of left coal pillars of upper coal seam, as well as its influence range on the lower coal seam. It also proposes the methods and measures when the lower seam caving passes the stress concentration area ofthe left coal pillars. The engineeringpractice shows ideal effects.

Keywords:closed distance coal seam; left coal pillars; stress concentration; slope adjustment

作者简介：屈平（1975-），男，山西阳高人，大学本科，高级工程师，从事煤矿生产管理工作。

收稿日期：2015- 10- 22

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.021

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0072- 03

中图分类号：TD323

文献标识码：A