近距離下部煤層綜采面過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)對策研究

屈　平

（霍州煤電集團(tuán)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(yīng)力集中區(qū)對策研究

屈平

（霍州煤電集團(tuán)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(shí)際狀況，分析了上部煤層遺留煤柱應(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力集中區(qū)的方法及措施，，工程實(shí)踐取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：近距離煤層；遺留煤柱；應(yīng)力集中；調(diào)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(qū)，地質(zhì)構(gòu)造為一單斜構(gòu)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(gè)工作面采空區(qū)，工作面間均留有20 m區(qū)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(yīng)力在底板及下部煤層的分布規(guī)律

上部煤層回采后，遺留煤柱產(chǎn)生較大應(yīng)力，該應(yīng)力將向底板巖層及下部煤層深部傳遞。依據(jù)巖土力學(xué)原理[1]，見圖2，應(yīng)力集中點(diǎn)P對下部M點(diǎn)產(chǎn)生垂直應(yīng)力σz計(jì)算見式（1）。

如圖3所示，當(dāng)作用于半無限平面體上的集中力為qdx時(shí)，設(shè)平面體為各向同性均質(zhì)體，平面體內(nèi)任一點(diǎn)（θ，r）的應(yīng)力為：

根據(jù)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(shí)的應(yīng)力為：

式中：q為作用于底板巖體上的載荷。

根據(jù)式（5），可以得到均布載荷作用下底板巖體的應(yīng)力分布規(guī)律：沿載荷中心點(diǎn)下部軸線上的垂直應(yīng)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(yīng)力σx影響深度較淺，約為1.5l；剪應(yīng)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(chǎn)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(jù)彈性力學(xué)理論[2]，求解平面問題主應(yīng)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(yīng)力：

最大剪應(yīng)力可由下式求得：

當(dāng)α=π/2時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到極值，

上式表明，剪應(yīng)力的極值發(fā)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(yīng)力達(dá)到的最大深度為：

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，見圖4，9號煤工作面開采后，工作面間遺留煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中，沿巖層傾斜方向較低一側(cè)的應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)大于另一側(cè)，即模型中工作面煤層采出上方覆巖垮落后，應(yīng)力向煤柱轉(zhuǎn)移，而煤柱有一定的傾角，集中應(yīng)力將向煤柱較低一側(cè)轉(zhuǎn)移。

上述理論及數(shù)值模擬結(jié)果，為確定上部煤層采后的底板應(yīng)力狀況提供了理論基礎(chǔ)。

圖4　煤柱周圍垂直應(yīng)力分布

3　下部煤層開采過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)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(xiàn)的頂板掉頂、滾矸、煤壁片幫等影響安全回采的因素，應(yīng)提前做好預(yù)防及處理措施，并采取一系列合理的技術(shù)來保證安全。

1）工作面頂板支護(hù)采用追機(jī)拉架方式及時(shí)支護(hù)暴露頂板，即緊跟前滾筒拉架，拉架后要及時(shí)將護(hù)幫板伸出，使煤壁不要輕易發(fā)生片幫現(xiàn)象[3]。

2）工作面煤壁片幫嚴(yán)重、端面距超過規(guī)定要求時(shí)采取超前拉架，提前將支架拉出，盡量減小端面距，必要時(shí)采用延長前探梁的方法，延長支架支護(hù)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(chǎn)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(qū)和煤柱影響，頂板裂隙較發(fā)育，若頂板不平，支架錯(cuò)差大，則易發(fā)生冒頂現(xiàn)象；另外，動(dòng)壓影響線在工作面近直線范圍內(nèi)分布，若工作面割不直，則局部受動(dòng)壓影響較大而造成冒頂。

3.2加強(qiáng)工作面生產(chǎn)組織及回采機(jī)組管理

1）根據(jù)現(xiàn)場正、副巷巷道變形情況，在工作面距煤柱應(yīng)力區(qū)20 m時(shí)，調(diào)整機(jī)頭、機(jī)尾刀數(shù)，采用長短刀結(jié)合的方法，調(diào)斜工作面逐步通過煤柱應(yīng)力集中區(qū)，減少工作面暴露在煤柱壓力區(qū)下的范圍，機(jī)組前滾筒割煤后及時(shí)帶壓拉架，減少頂板暴露時(shí)間。

2）在煤柱應(yīng)力區(qū)距工作面馬蹄兒機(jī)尾30 m時(shí)，對煤柱應(yīng)力區(qū)進(jìn)行全斷面起底，保證巷道最低點(diǎn)距底板不小于3.5 m。在工作面距煤柱應(yīng)力區(qū)50 m時(shí)，工作面正、副巷超前支護(hù)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(zhuǎn)載機(jī)過渡段進(jìn)入煤柱應(yīng)力區(qū)后，因巷道底鼓造成巷道高度低于3.3 m時(shí)，對巷道進(jìn)行二次起底，保證巷道最低點(diǎn)距底板不小于3.5 m。觀測頂?shù)装褰咏看笥?.5 m時(shí)，采取在轉(zhuǎn)載機(jī)過渡段對底板起底后施工底錨桿措施，加強(qiáng)維護(hù)。

4）觀察破碎機(jī)前巷道幫鼓情況，若巷道寬度小于3.9 m，在巷道行人側(cè)進(jìn)行擴(kuò)幫，保證巷道寬度不小于4.2 m，擴(kuò)幫后，及時(shí)在巷幫支設(shè)貼幫柱，柱距0.6 m，單體柱與巷幫間加設(shè)板梁支護(hù)煤幫。

5）若工作面頂板破碎，支架頂梁前端發(fā)生漏頂?shù)痊F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)用板梁維護(hù)頂板，確保支架接頂嚴(yán)實(shí)后再割煤。

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

4　結(jié)束語

在分析近距離上部煤層遺留煤柱應(yīng)力在底板中的傳遞規(guī)律及影響范圍的基礎(chǔ)上，從加強(qiáng)工作面頂板管理、加強(qiáng)工作面生產(chǎn)組織及回采機(jī)組管理兩個(gè)方面，采取應(yīng)對措施來保障回采工作面通過遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了工作面調(diào)斜迅速通過應(yīng)力集中區(qū)的方法。實(shí)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(yīng)力集中區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)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(xué)本科，高級工程師，從事煤礦生產(chǎn)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(xiàn)標(biāo)識碼：A