近距离煤层煤柱集中应力传递及巷道分区支护对策研究

程 蓬

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)



近距离煤层煤柱集中应力传递及巷道分区支护对策研究

程 蓬1，2，3

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

针对我国近距离煤层群开采现状和研究进展情况，以西山矿区杜儿坪矿实际条件为工程背景，采用理论分析和数值计算相结合的方法，分析上部煤层开采后残留煤柱集中应力对下部岩层应力分布状态的影响，分析不同煤柱尺寸、不同底板深度条件下煤柱集中应力在下部底板中传递规律，根据下部岩层应力分布特征划分不同应力区域，提出不同围岩应力条件下巷道支护对策，并进行井下工业试验，取得良好的支护效果。

近距离煤层；煤柱；应力传递；巷道分区支护

我国近距离煤层群分布范围广泛，如：西山、大同、神华、平顶山、汾西、吕梁、两淮等矿区，涉及到煤炭资源储量大、分布广、开采强度高，是煤炭开采领域普遍性难题。不同于单一煤层开采，近距离煤层群开采具有特殊性和复杂性。由于上下煤层间距小，煤层群开采相互扰动显著，围岩应力环境复杂，甚至巷道围岩完整性在开采之前受到破坏，控制和维护难度极大，有时甚至需要二次和多次返修，对生产和安全造成很大影响。

根据煤层群的开采顺序，近距离煤层群开采可分为下行式开采和上行式开采两种，国内外对此开展了大量研究。煤层群上行开采主要研究围绕上行开采的判定方法，以下部煤层开采不破坏上部煤层的完整性和连续性为前提，通过上下煤层层间距离高度作为判定标准，提出了多种煤层群上行开采的判定方法，如实践经验法、比值判定法、“三带”判别法、围岩平衡法等。大多数情况下，近距离煤层群以下行式顺序开采为主，下部煤层回采巷道的布置方式及巷道围岩控制技术是近距煤层群下行开采的核心问题。文献[1]和[2]对上部煤层采动状况、巷道围岩性质进行分析，提出了下部煤层与上部煤柱垂直高度Z和水平高度X的定量性关系。文献[3]研究了极近距煤层下部煤层巷道位置确定方法，提出采用应力改变率选择下部煤层回采巷道合理位置。文献[4]分析了深井近距离煤层群回采巷道变形破坏的原因，提出多策略相结合的围岩控制对策。文献[5]对比分析了近距煤层下部回采巷道采用内错、外错和重叠布置巷道围岩应力状态，并进行了工程实践。另外煤炭科学研究总院开采研究分院针对近距煤层煤柱应力和围岩控制技术进行了大量研究[6-8]。本文以西山煤电集团公司杜儿坪矿为工程背景，运用数值计算方法，分析近距煤层上覆岩层开采后对下部底板岩层应力分布的影响，根据下部岩层巷道围岩应力分布规律，提出一种新型近距煤层判定方法。

1 工程背景

西山煤电集团是我国典型的近距离煤层开采矿区，因其特殊的煤层赋存条件，矿区普遍赋存两组近距离煤层群，即石炭系山西组的2号和3号近距煤层，二叠系太原组的8号和9号近距煤层。图1为矿区典型的近距煤层围岩综合柱状，分别为2号和3号煤近距离煤层，以及8号和9号煤近距离煤层，从柱状图可以看出上下煤层间距小，属于典型的近距煤层。2015年西山矿区生产原煤27.8Mt，其中近距离下部煤层出煤量达到9.53Mt，占总产量的34%，近距煤层开采在西山矿区十分普遍，涉及煤炭储量多，所占比重大，巷道支护难度高。杜儿坪矿是西山煤电下属主力矿井之一，近年来随着采区的不断延伸，开采深度逐年加大，最大埋藏深度超过600m，特别是近距离煤层下部回采巷道，巷道支护难度持续增加，复杂难支护巷道比例明显增大，有些巷道在掘进期间巷道变形十分剧烈，如南九采区73902胶带巷，采用重叠布置，巷道掘进后压力显现十分剧烈，巷道严重变形，矿压现象十分明显，顶底板和两帮移近量大，特别是两帮变形十分显著，存在多处锚杆破断和螺母滑丝的现象，多处钢带被锚杆托盘剪穿，巷道多处采用二次加棚后才能勉强进行回采。

图1 西山矿区典型的近距煤层群赋存柱状

2 煤柱集中应力在底板传递特征

以杜儿坪矿南九采区开采条件为工程背景，研究不同方案下近距煤层开采煤柱集中应力在底板分布规律。

2.1 数值模型

通过三维FLAC有限元数值模拟软件计算上部煤层开采残留煤柱集中应力在底板岩层分布规律。计算模型的煤、顶底板岩层及物理力学参数如表1所示。模型宽度300m，高度90m，划分58000个单元和66330个节点，上部煤层工作面模拟回采长度100m，煤层平均赋存深度500m，2号煤层工作面煤柱尺寸分别设置为10m，20m和30m。边界条件为模型底部垂直方向固定，左右边界水平方向固定，在模型上部表面施加垂直应力。

表1 数值计算模型岩层物理力学参数

2.2 上层煤柱集中应力在下部底板中的传递

近距离煤层上部煤层开采后引起矿山压力的重新分布，上部煤层工作面残留煤柱出现显著的应力集中现象，由于应力的传递效应，造成下部岩层围岩应力状态发生显著变化，因此分析上部煤层回采后煤柱集中应力分布状态是确定下部巷道合理空间位置和巷道支护方法的前提条件。通过数值软件，得出不同煤柱尺寸大小B以及下部岩层深度Z条件下底板岩层应力分布状态，如图2所示。

通过对上述数据对比分析，得出以下结论：

(1)当煤柱尺寸为10m时，煤柱底板岩层垂直应力集中现象十分明显，此时煤柱垂直应力分布呈“单峰”抛物线形态，随着底板深度的增大，岩层垂直应力显著降低。如图2(a)所示，其中底板下方20m范围内变化尤为明显，当底板深度为5m，10m，15m和20m时，对应底板岩层垂直应力峰值分别为44.0MPa，30.7MPa，23.4MPa和19.4MPa，降低幅度为13.3MPa，7.3MPa和4MPa。

(2)当煤柱尺寸增加至20m时，煤柱底板岩层垂直应力集中现象明显降低，此时煤柱垂直应力存在不明显的“双峰”形态，此时随着底板深度的增大，岩层垂直应力降低幅度明显减小。如图2(b)所示，当底板深度为5m，10m，15m和20m时，对应底板岩层垂直应力峰值分别为27.9MPa，24.2MPa，21.5MPa和19.3MPa，分别降低3.7MPa，2.7MPa和2.2MPa。

(3)当煤柱尺寸增加至30m时，煤柱底板岩层垂直应力集中现象进一步降低，此时煤柱垂直应力分布存在明显的“双峰”形态，此时随着底板深度的增大，岩层垂直应力降低幅度也进一步减小。如图2(c)所示，当底板深度为5m，10m，15m和20m时，对应底板岩层垂直应力峰值分别为24.4MPa，21.1MPa，19.7MPa和18.6MPa，分别降低3.3MPa，1.4MPa和1.1MPa。

图2 不同条件下底板岩层垂直应力分布状态

对比可见，煤柱尺寸和底板深度对下部岩层垂直应力分布状态和集中程度影响十分明显。图3为不同煤柱尺寸和不同深度条件下底板岩层垂直应力集中系数，当煤柱尺寸和深度较小时，底板岩层应力集中尤为明显，随着煤柱尺寸和底板深度的增加，底板岩层应力集中系数逐渐降低。当底板深度超过20m时，不同煤柱尺寸条件下底板垂直应力集中系数相差不大，并随着深度的增大逐渐向原岩应力状态趋近。

图3 不同煤柱、不同深度底板岩层垂直应力集中系数

3 集中煤柱下巷道分区支护对策

围岩应力状态是影响巷道稳定性的重要因素，近距煤层上部煤层开采后下部岩层围岩应力分布复杂，因此分析巷道围岩所处的应力规律，研究不同应力状态下巷道支护方法十分重要。图4是杜儿坪矿南九采区上部2号煤层开采后下部3号煤层所处岩层围岩应力分布状况，根据垂直应力分布特征，将杜儿坪矿南九采区3号煤层应力状态划分为3个区域，即：低应力区、高应力梯度区和高应力区。

图4 南九采区2号煤层回采后下部3号煤围岩应力区域划分

表2为不同应力区应力范围、分布区域、应力特征和支护对策。

如表2所示，对于近距煤层下部巷道布置和支护而言，应充分考虑垂直应力量值，应力变化幅度以及巷道支护对策等情况。对于杜儿坪南九采区的开采条件，将3号煤层巷道布置在低应力区，即：距离上部2号煤层残留煤柱中心线水平距离13m范围外，对于后期巷道支护和维护将十分有利。为此矿方后续在设计73903工作面轨道巷时，将73903工作面轨道巷采用内错15m布置，巷道位于低应力区，采用锚网索联合支护，巷道支护效果理想，如图5(a)所示，巷道变形和破坏很小，相比之下临近的73902工作面胶带巷，采用重叠布置，巷道位于高应力梯度区，巷道变形破坏十分严重，如图5(b)所示，巷道在服务期间不得不经过多次返修和维护。

表2 近距煤层下部岩层不同应力区域划分及支护对策

备注：X代表距离上部2号煤层残留煤柱中心线的水平距离，m。应力解除法包括煤柱爆破卸压技术，水压致裂应力解除法等。

图5 井下支护对比示意

4 结 论

(1)近距煤层群上部工作面煤柱尺寸和底板深度对下部岩层垂直应力分布状态和集中程度影响十分明显。当煤柱尺寸和深度较小时，底板岩层应力集中尤为明显，此时下部岩层应力集中现象显著，随着煤柱尺寸和底板深度的增加，底板岩层应力集中系数逐渐降低。

(2)下部岩层距离上部煤层工作面的深度是影响下部岩层垂直应力的关键因素，当底板深度超过20m时，不同煤柱尺寸条件下底板垂直应力集中系数相差不大，并随着深度的增大逐渐向原岩应力状态趋近。

(3)针对杜儿坪矿南九采区上部2号煤层开采条件，根据下部3号煤层垂直应力分布特征，将3号煤层应力状态划分为3个区域，分别为低应力区、高应力梯度区和高应力区，根据下部岩层应力分布特征划分不同应力区域，提出不同围岩应力条件下巷道支护对策，并进行井下工业试验，取得良好的支护效果。

[1]陆士良，姜耀东，孙永联.巷道与上部煤层间垂距Z的选择[J].中国矿业大学学报，1993，22(1)：1-7.

[2]陆士良，孙永联，姜耀东.巷道与上部煤柱边缘间水平距离X的选择[J].中国矿业大学学报，1993，22(2)：1-7.

[3]张百胜，杨双锁，康立勋，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.

[4]毕业武，范秀利，蒲文龙，等.深井近距离煤层群回采巷道失稳致因与控制技术[J].煤炭科学技术，2015，43(10)：51-55.

[5]程 蓬，张 剑，刘爱卿.近距离煤层采空区下巷道合理布置研究及应用[J].煤炭科学技术，2014，42(S2)：8-10，13.

[6]康红普，林 健，吴拥政，等.锚杆构件力学性能及匹配性[J].煤炭学报，2015，40(1)：11-23.

[7]王俊虎，程 蓬，张 剑，等.杜儿坪矿锚杆托板结构优化及推广应用[J].煤矿开采，2015，20(4)：66-68.

[8]程 蓬，鞠文君.高强度锚杆尾部螺纹断裂受力分析[J].煤矿开采，2011，16(2)：20-22，90.

[责任编辑：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

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1261211)；自然科技基金青年基金项目(51304119)；天地科技开采设计青年创新基金项目(KJ-2015-TDKC-14)

程 蓬(1985-)，男，安徽宣城人，硕士，主要从事煤矿巷道支护技术研究。

程 蓬.近距离煤层煤柱集中应力传递及巷道分区支护对策研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：31-34.

TD353

A

1006-6225(2016)06-0031-04