煤柱下回采巷道矿压的显现规律

陈　刚,　张大鹏

(1. 黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室, 哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)



煤柱下回采巷道矿压的显现规律

陈刚1,张大鹏2

(1. 黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室, 哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)

为揭示上层煤柱下回采巷道矿压显现规律，有效控制围岩变形，根据沙坪煤矿实际开采情况，应用ANSYS进行数值模拟计算，分析不同开采条件时煤柱下回采巷道的围岩分布规律，对煤柱下回采巷道锚杆工作载荷进行现场观测。数值模拟和观测结果表明：当8#上层所留煤柱两侧均为采空区时，煤柱下回采巷道围岩应力是煤柱一侧采空时的1.5～1.8倍，严重影响下层回采巷道的稳定性，因此，在设计时要根据应力分布特点确定合理的巷道位置和支护参数。

煤柱；采空区；有限元模拟；应力

0　引　言

煤层开采以后，会在采空区形成压力降低区，同时，在煤层内所留设的保护煤柱上产生应力集中，对下部煤层中的应力分布和回采巷道布置产生重大的影响[1-2]。国内外矿山工作者和科研人员对巷道布置方式、煤柱尺寸设计、煤柱应力分布及煤柱下回采巷道围岩控制进行大量研究和生产实践[3，4]。煤柱所处的位置不同，其应力集中程度不同，对下部煤层中回采巷道围岩分布规律影响也不相同[5]，掌握巷道两帮及顶底板应力分布规律，对有效控制煤柱下回采巷道的稳定、保证下部煤层采煤工作面安全高效生产有着重要意义[6-8]。因此，针对沙坪煤矿8#上煤层煤柱留设情况和8#下煤回采巷道布置进行数值计算及观测分析,研究其矿压显现规律,希望能为巷道布置和围岩控制提供理论依据。

1　工作面地质及开采条件

山西晋神沙坪煤业有限公司所属沙坪煤矿，目前开采的8#煤层结构比较复杂，西南部为合并层，东北分岔为8#上煤层和8#下煤层，两个煤层均可采，各煤层煤层的平均厚度为4.73 m，层间间距3～11m，以泥岩为主。8#上煤层已经基本采完，后续将进入8#下煤层开采。8#上煤层18203采空区与18204采空区之间留有20 m保护煤柱，8#下煤层1807胶运顺槽在这个煤柱下，1807辅运顺槽在8#上煤层边界煤柱下，具体位置如图1所示。两顺槽顶部均采用锚杆+锚索+金属网支护，顶板破碎地段采用锚索+钢带加强支护，两帮均采用钢锚杆+金属网支护。

图1　工作面顺槽布置示意

2　应力分布数值模拟

根据1807采煤工作面的实际情况,采用三维有限元软件ANSYS进行数值模拟分析[9-11].模拟主要内容为8#上煤层保护煤柱应力分布及8#下煤层中1807辅运顺槽和胶运顺槽围岩应力分布规律。模拟尺寸620 m×210 m×100 m。根据实验室测试结果,采用的煤岩体力学参数如表1所示。

表1　煤岩力学参数表

2.18#上煤层保护煤柱应力分布规律

1807工作面回采巷道围岩应力除受所处位置自然因素影响外，还取决于上层煤柱集中应力的分布情况，如图2所示。受18204采空区影响，8#上煤层边界煤柱产生应力集中，由于煤柱外侧为未受采支影响空间，所以边界煤柱上的应力大于该位置的原岩应力，其分布是从采空区一侧向煤内部逐渐增加的，由图2可以看出，其集中应力的分布特点。

图2　8#上煤层边界煤柱支撑压力分布

Fig. 2Abutment pressure of boundary pillar in No. 8 upper coal seam

由于受18203和18204采空区影响，支承压力发生相互叠加，造成18204胶运顺槽保护煤柱集中应力较大，其应力达到边界煤柱的1.8倍，具体分布特点为煤柱中部应力高，两侧低，如图3所示。这一集中力作用在8#上煤层底板和8#下煤层煤体上，是造成煤柱下掘进的回采巷道围岩变形量大，巷道变形剧烈的根本原因。1807工作面回采时，煤壁支撑压力与上层煤柱支撑压力叠加后，巷道变形将更为严重。

图3　8#上煤层18204胶运顺槽保护煤柱支撑压力分布

Fig. 3Abutment pressure of 18204 roadway protection coal pillar in No. 8 upper coal seam

2.28#下煤层煤柱下回采巷道应力分布规律

8#下煤层中1807工作面胶运顺槽位于8#上煤层18204胶运顺槽保护煤柱下方，受18203和18204两个采空区影响，1807工作面辅运顺槽位于8#上煤层边界煤柱下方，仅受18204采空区影响，针对煤柱所受集中压力不同的特点，分别对18204胶运顺槽保护煤柱和边界煤柱下回采巷道围岩应力分布规律进行数值模拟研究，得到各应力分布如图4～7所示。

a　双侧采空

b　单侧采空

a　双侧采空区

b　单侧采空区

Fig. 5Vertical stress of roadway surrounding rock under coal seam

由图4～7可以看出，位于双侧采空A煤柱下的1807工作面胶运顺槽靠近煤柱内侧的巷帮(左帮)应力σz最高，靠近采空区一侧巷帮(右帮)应力σy次之，然后是巷道顶板σd，底板σf压力最小。其左帮平均应力达到右帮的1.46倍，因此，在支护时要重点考虑该巷道的左侧巷帮，适当增加支护强度和支护密度。

a　远离采空区

b　靠近采空区

Fig. 6Stress distribution of roadway’s side under coal pillar

a　顶板应力

b　底板应力

位于8#下煤层边界煤柱下的1807工作面辅运顺槽受单侧采空区B影响，煤柱支撑压力变化幅度较胶运顺槽小，应力分布特点是靠近煤柱内侧的巷帮(右帮)应力最高，靠近采空区一侧巷帮(左帮)应力次之，然后是巷道顶板，底板压力最小，其右帮平均应力为左侧巷帮的1.38倍。

对两巷围岩应力分布进行对比可以看出，位于双侧采空煤柱下的1807工作面胶运顺槽围岩压力高于位于8#下煤层边界煤柱下的1807工作面辅运顺槽围岩所受的压力，靠近煤柱内侧巷帮为1.7倍，靠近采空区一侧为1.6倍，顶底板也达到1.6倍，因此1807工作面胶运顺槽矿压显现更为剧烈。

3　现场矿压观测分析

采用CMSW6(A)矿用本安型锚杆锚索无损检测仪对1807工作面胶运顺槽和1807工作面辅运顺槽锚杆受力进行了现场观测，分别在两条巷道中部相对应位置设置3个测区，观测顶板和巷帮的锚杆的工作载荷，测区间距20 m。观测结果见表2。

表2　锚杆的工作载荷观测

锚杆观测数据表明，受上煤层双侧采空区影响的1807工作面胶运顺槽锚杆工作载荷高于受上煤层单侧采空区影响的1807工作面辅运顺槽，胶运顺槽顶板锚杆工作载荷平均值达到辅运顺槽的1.65倍，帮锚杆为1.26倍。

根据现场情况，1807胶运顺槽靠近开切眼一侧已经出现大量片帮和底鼓现象，因此下煤层回采巷道布置时应根据上层煤柱留设情况、煤柱应力分布情况合理布置，尽可能把下层回采巷道布置在上层煤柱支撑压力影响区以外。当下层回采巷道必须布置在煤柱支撑压力范围内时，应根据巷道围岩应力分布规律进行支护设计，加强高应力一侧的支护强度，保证巷道的稳定。通过调整开采顺序，减少煤柱上的应力叠加程度，结合巷道围岩应力分布特点进行支护参数优化设计。

4　 结　论

(1)上层煤开采后所留设的保护煤柱会产生应

力集中，煤柱与采空区位置关系不同时，煤柱上的支撑压力分布不同，应力集中系数也不同。因此不同位置的煤柱下开掘的巷道其围岩应力分布也不相同，下煤层回采巷道布置时应根据上层煤柱留设情况、煤柱应力分布情况合理布置，尽可能把下层回采巷道布置在上层煤柱支撑压力影响区以外。

(2)调整开采顺序，可以减少煤柱上的应力叠加程度，避免煤柱下方回采巷道应力过于集中，使其易于掘进和维护。

(3)数值模拟和现场实测结果表明，煤柱下开掘的回采巷道两帮煤体上所承受的压力不同，作用在支护材料上的力也不同，靠近煤体内部压力大，靠近采空区一侧压力小。因此，应根据巷道围岩应力分布规律进行支护设计，加强高应力一侧的支护强度，保证巷道的稳定。

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(编辑徐岩)

Study on law behind underground stress at gateway under coal pillars of an upper coal seam

CHENGang1，ZHANGDapeng2

(1. Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College,Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022， China;2. School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper presents an insight into the mechanism underlying how underground stress occurs at the mining gateway under coal pillar to provide an effective control of the deformation of surrounding rock. This unique insight is achieved by applying numerical simulation method with which to analyze the stress distribution of the gateway under coal pillar in different mining conditions in Shaping coal mine and conduct the field observation of the load of bolts in gateway. The observation and numerical simulation show that the surrounding rock stress of the gateway under coal pillar with gob on either side is 1.5 to 1.8 times that of the gateway under coal pillar with gob on one side, producing a great effect on the stability of roadway under the pillar. This requires that the design follow the stress distribution characteristics as a way of determining a reasonable roadway position and supporting parameters based on.

coal pillar; gob; finite element simulation; stress

2015-12-25

黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室开放课题(2013-KF07)

陈刚( 1979- )，男，黑龙江省大庆人，副教授，硕士，研究方向: 采煤方法与矿山压力控制，E-mail chengang0607@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.004

TD353

2095-7262(2016)01-0013-04

A