近距離下部煤層綜采面過遺留煤柱應力集中區對策研究

屈　平

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西呂梁033102）

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近距離下部煤層綜采面過遺留煤柱應力集中區對策研究

屈平

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西呂梁033102）

摘要：針對木瓜煤礦近距離煤層群開采的實際狀況，分析了上部煤層遺留煤柱應力分布規律及對下部煤層的影響范圍，提出了下部煤層回采過遺留煤柱應力集中區的方法及措施，，工程實踐取得了良好效果。

關鍵詞：近距離煤層；遺留煤柱；應力集中；調斜

1　工程背景

木瓜煤礦主采9號煤與10號煤層。10-103工作面位于西二盤區，地質構造為一單斜構造，與9號煤層平均間距10 m。10-103工作面上部有9-101、9-201、9-203、9-205四個工作面采空區，工作面間均留有20 m區段煤柱。10-103工作面巷道布置及上部遺留煤柱分布見圖1。

圖1　10- 103工作面巷道布置及上部遺留煤柱分布圖

2　上部煤層遺留煤柱應力在底板及下部煤層的分布規律

上部煤層回采后，遺留煤柱產生較大應力，該應力將向底板巖層及下部煤層深部傳遞。依據巖土力學原理[1]，見圖2，應力集中點P對下部M點產生垂直應力σz計算見式（1）。

如圖3所示，當作用于半無限平面體上的集中力為qdx時，設平面體為各向同性均質體，平面體內任一點（θ，r）的應力為：

根據疊加原理，由式（2）、式（3）、式（4）可得出自由邊界上受均布載荷時的應力為：

式中：q為作用于底板巖體上的載荷。

根據式（5），可以得到均布載荷作用下底板巖體的應力分布規律：沿載荷中心點下部軸線上的垂直應力σz最大，σz隨深度的增加而減小，主要影響深度為6.25l（l為載荷分布寬度）；水平應力σx影響深度較淺，約為1.5l；剪應力τxz的影響深度約為2l，其最大值位于載荷作用的邊界處，這是造成采場邊緣下部巖體易產生剪切變形和破壞的主要原因。

圖3　半無限平面體受均布載荷圖

根據彈性力學理論[2]，求解平面問題主應力的公式為：

將式（5）代入上式，且令α=θ2-θ1，可以得到底板巖體最大、最小主應力：

最大剪應力可由下式求得：

當α=π/2時，剪應力達到極值，

上式表明，剪應力的極值發生在以分布載荷寬度l為直徑的半圓線上。由此可知，底板中最大剪應力達到的最大深度為：

根據數值模擬結果，見圖4，9號煤工作面開采后，工作面間遺留煤柱產生應力集中，沿巖層傾斜方向較低一側的應力集中程度遠大于另一側，即模型中工作面煤層采出上方覆巖垮落后，應力向煤柱轉移，而煤柱有一定的傾角，集中應力將向煤柱較低一側轉移。

上述理論及數值模擬結果，為確定上部煤層采后的底板應力狀況提供了理論基礎。

圖4　煤柱周圍垂直應力分布

3　下部煤層開采過遺留煤柱應力集中區對策

3.1工作面頂板管理方法

針對工作面開采過程中可能出現的頂板掉頂、滾矸、煤壁片幫等影響安全回采的因素，應提前做好預防及處理措施，并采取一系列合理的技術來保證安全。

1）工作面頂板支護采用追機拉架方式及時支護暴露頂板，即緊跟前滾筒拉架，拉架后要及時將護幫板伸出，使煤壁不要輕易發生片幫現象[3]。

2）工作面煤壁片幫嚴重、端面距超過規定要求時采取超前拉架，提前將支架拉出，盡量減小端面距，必要時采用延長前探梁的方法，延長支架支護范圍，即在支架前探梁下用錨鏈將工字鋼與前探梁連在一起做延長梁使用。

3）工作面在生產過程中，頂板要割平，不留頂煤，工作面要割直。近距離煤層由于受上覆采空區和煤柱影響，頂板裂隙較發育，若頂板不平，支架錯差大，則易發生冒頂現象；另外，動壓影響線在工作面近直線范圍內分布，若工作面割不直，則局部受動壓影響較大而造成冒頂。

3.2加強工作面生產組織及回采機組管理

1）根據現場正、副巷巷道變形情況，在工作面距煤柱應力區20 m時，調整機頭、機尾刀數，采用長短刀結合的方法，調斜工作面逐步通過煤柱應力集中區，減少工作面暴露在煤柱壓力區下的范圍，機組前滾筒割煤后及時帶壓拉架，減少頂板暴露時間。

2）在煤柱應力區距工作面馬蹄兒機尾30 m時，對煤柱應力區進行全斷面起底，保證巷道最低點距底板不小于3.5 m。在工作面距煤柱應力區50 m時，工作面正、副巷超前支護長度更改為50 m，全部為雙排，柱距0.6 m，使用軟連接。

3）在工作面轉載機過渡段進入煤柱應力區后，因巷道底鼓造成巷道高度低于3.3 m時，對巷道進行二次起底，保證巷道最低點距底板不小于3.5 m。觀測頂底板接近量大于0.5 m時，采取在轉載機過渡段對底板起底后施工底錨桿措施，加強維護。

4）觀察破碎機前巷道幫鼓情況，若巷道寬度小于3.9 m，在巷道行人側進行擴幫，保證巷道寬度不小于4.2 m，擴幫后，及時在巷幫支設貼幫柱，柱距0.6 m，單體柱與巷幫間加設板梁支護煤幫。

5）若工作面頂板破碎，支架頂梁前端發生漏頂等現象，應及時用板梁維護頂板，確保支架接頂嚴實后再割煤。

6）在工作面漏頂后，頂板難以控制時，必須制定專項措施，采取注化學漿馬麗散等方法，及時控制煤壁片幫，防止漏頂距離擴大。

4　結束語

在分析近距離上部煤層遺留煤柱應力在底板中的傳遞規律及影響范圍的基礎上，從加強工作面頂板管理、加強工作面生產組織及回采機組管理兩個方面，采取應對措施來保障回采工作面通過遺留煤柱應力集中區，重點強調了工作面調斜迅速通過應力集中區的方法。實踐證明，通過采取措施，巷道圍巖變形得到了較好控制，回采工作面能夠快速順利通過遺留煤柱應力集中區。

參考文獻：

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003.

[2]宋振騏.實用礦山壓力控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，1992.

[3]黃艷利，張吉雄.近距離煤層回采巷道合理布置方案[J].煤礦安全，2009（9）:66- 68.

（編輯：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

作者簡介：屈平（1975-），男，山西陽高人，大學本科，高級工程師，從事煤礦生產管理工作。

收稿日期：2015- 10- 22

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

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0072- 03

中圖分類號：TD323

文獻標識碼：A