林永民　趙娜　陳琳

摘要：針對某礦遺留三角煤柱對下伏煤層巷道應(yīng)力擾動大，下伏煤層巷道圍巖變形量大、加強支護區(qū)長度難以確定等難題，采用有限差分的數(shù)值模擬計算的方法，得出了上覆三角煤層對下伏巷道的影響范圍，并分析了巷道加強支護區(qū)的應(yīng)力場分布特征、下伏煤層巷道不同應(yīng)力梯度的變化規(guī)律，及不同埋藏深度條件下遺留三角煤柱對下伏煤層巷道頂板垂直應(yīng)力的影響規(guī)律，提出了合理的巷道加強支護區(qū)的支護范圍與支護方式，在現(xiàn)場進行了工業(yè)性試驗，研究結(jié)果可以為類似地質(zhì)條件下的巷道支護方案的設(shè)計提供借鑒。

Abstract： Aiming at the problem that the residual triangular coal pillar of a mine has large stress disturbance to the underlying coal seam roadway， the deformation of the surrounding rock of the underlying coal seam roadway is large， and the length of the supporting support area is difficult to determine， the finite difference numerical simulation method is used to obtain the influence range of the overlying triangular coal seam on the underlying roadway， and the stress field distribution characteristics of the roadway strengthening support area， the variation law of different stress gradients in the underlying coal seam roadway and the effect of residual triangular coal pillars on vertical stress of roof of underlying coal seam under different burial depths are analyzed. The reasonable support range and support method of the roadway reinforcement support area are put forward， and the industrial test is carried out on the site. The research results can provide reference for the design of the roadway support scheme under similar geological conditions.

關(guān)鍵詞：遺留三角煤柱;應(yīng)力擾動;應(yīng)力梯度;巷道支護;加強支護距離

Key words： left triangular pillars;stress disturbance;stress gradient;roadway support;reinforced support distance

中圖分類號：TD322 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0138-03

0 ?引言

近距離煤層群在我國分布廣泛，賦存和開采所占比重較大[1-3]，大部分礦區(qū)存在煤層群開采的問題，上部煤層開采結(jié)束后遺留下來不具有開采價值的三角煤區(qū)對下伏煤層巷道的影響是關(guān)系到煤炭資源安全高效開采和提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵問題。關(guān)于近距煤層開采煤柱下方底板應(yīng)力的傳遞規(guī)律以及下部煤層的布置方式，已經(jīng)有大量的學(xué)者進行了研究。羅吉安等[4]對上覆煤柱內(nèi)集中應(yīng)力分布情況進行分析，總結(jié)出了不同寬度煤柱下方底板應(yīng)力的傳遞及分布規(guī)律;徐軍等[5]采用數(shù)值計算的方法研究了巷道開挖前殘留煤柱的初始應(yīng)力場和位移場的應(yīng)力分布規(guī)律;趙維生等[6]采用數(shù)值分析和現(xiàn)場工業(yè)性試驗的方法，研究了遺留煤柱下伏煤巖體的強度系數(shù)和應(yīng)力影響規(guī)律;康繼忠[7]、姜鵬飛[8]、許磊[9]、張付濤[10]等研究總結(jié)了近距離殘留煤柱底板應(yīng)力場的形成和應(yīng)力傳遞機理;謝文兵[11]等采用三維數(shù)值模擬方法，詳細(xì)分析了近距離煤層開采條件下，上煤層殘留煤柱對下煤層工作面開采沖擊危險性的影響;康官先[12]、王曉東[13]、孟浩[14]、索永錄[15]、魯巖[16]等對下部煤層開采的巷道位置進行了研究;眾多學(xué)者對近距煤層中保護煤柱下方的底板應(yīng)力場分布和下伏巷道的合理布置方式進行研究，并且取得了一定的成果，但是對遺留的孤島煤柱對下伏巷道的影響研究較少，當(dāng)下伏巷道位于遺留的三角區(qū)煤柱正下方時，下伏巷道的合理支護方式及加強支護距離的確定缺乏研究。

本文根據(jù)某礦中存在的實際問題，采用理論計算的方式確定了遺留三角煤柱下方巷道加強支護距離，并采用有限差分法進行數(shù)值計算對理論部分進行驗證，并分析了遺留三角煤柱對底板巖層的應(yīng)力分布規(guī)律，從應(yīng)力梯度和不同埋藏深度的角度對巷道頂板應(yīng)力變化進行了研究，其研究結(jié)果對類似條件的巷道支護設(shè)計有借鑒意義。

1 ?研究背景

某礦位于山西省臨汾市，主要含煤地層為山西組和太原組，產(chǎn)能為120萬噸/年，含可采煤層3層，編號為3、6、15下，目前3#煤層已經(jīng)開采完畢，3#煤層采用沿空留巷的方法進行煤炭開采，由于井田邊界和地質(zhì)條件的限制，3#煤層中遺留下孤島三角煤柱未進行回采。目前正準(zhǔn)備回采6#煤層，其中一條采準(zhǔn)巷道位于3#煤層遺留三角煤柱的正下方，為了維護該條巷道穩(wěn)定，保證資源安全高效的開采，需要對該巷道的支護方式進行研究。

2 ?數(shù)值模擬分析

為了分析上覆巖層遺留三角煤柱對下伏巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，采用有限差分法建立了數(shù)值分析模型，模型如圖1所示，模型尺寸為300×300×22m，本構(gòu)模型采用庫倫摩爾模型，單元總數(shù)為910300。最上層的砂質(zhì)泥巖埋深為200m，遺留三角煤柱位于3#煤層，遺留的孤島三角煤柱周邊已經(jīng)采空，采空區(qū)充分垮落，三角煤柱為等腰三角形，底邊長度為100m，高為100m;3#煤層與6#煤層的垂距為10m，在6#煤層掘進巷道的斷面尺寸的寬度為4m，高度為3.5m，巷道位于等腰三角形的中位線正下方，并且走向相同;模型頂部施加5MPa垂向正應(yīng)力，邊界的水平應(yīng)力為2.5MPa的壓應(yīng)力，模型底部和側(cè)面采用位移約束，模型中的各層巖石的物理力學(xué)系數(shù)見表1。

3#煤層開采結(jié)束后，遺留下三角煤柱支撐上覆頂板巖層，周邊為采空區(qū)，圖5為6#煤層頂板平面的垂直應(yīng)力分布圖，垂直應(yīng)力區(qū)明顯呈現(xiàn)出三角形分布，垂直于三角煤柱邊長的方向，應(yīng)力呈現(xiàn)出雙峰形狀的分布，應(yīng)力峰值為8MPa;三角形煤柱外側(cè)的應(yīng)力峰值為7MPa。圖2中A、B點坐標(biāo)為（150，93）、（150，207），中A、B點連線明顯為巷道的應(yīng)力增高區(qū)部分，加強支護的距離為114m。

從圖2分析可知，當(dāng)埋深為215m時沿巷道的走向方向存在著若干個應(yīng)力峰值，當(dāng)上伏三角煤柱對巷道沒有影響時，垂直原巖應(yīng)力為5.35MPa，將巷道頂板垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力的范圍定位加強支護的距離，即為圖中α的距離為114m。

3 ?支護方式的確定

6#煤層的采準(zhǔn)巷道掘進過程中，根據(jù)6號煤層具體地質(zhì)狀況，采用理論分析方法和其他工作面成功回采的經(jīng)驗類比法，確定了采準(zhǔn)巷道的斷面尺寸為寬×高=4.0×2.8m，其基本支護形式如圖3和圖4所示，錨桿的型號為MSGLD-335/18×2200，共4根，間排距1200×1000mm，巷道掘進期間每兩排錨桿布置一根錨索，錨索布置的排距為3000mm。

采準(zhǔn)巷道進入上伏三角煤柱區(qū)的應(yīng)力影響范圍內(nèi)，巷內(nèi)進行輔助支撐，采用單體液壓支柱挑頂梁的形式，具體布置參數(shù)見圖11，布置2根單體液壓支護，支柱距離煤壁的距離為0.2m。頂梁可以采用工字鋼梁，梁長4.0m，間距為1m，垂直巷道軸線方向布置，輔助支護距離為120m，實踐證明，巷道頂板垂直應(yīng)力增高區(qū)的變形很小。

4 ?結(jié)論

本文開展了上伏遺留三角煤柱對下層煤巷道的垂直應(yīng)力場分布規(guī)律和下層煤巷支護方式的研究，根據(jù)數(shù)值計算的分析，提出了下層煤巷的支護距離及輔助支護方式，得出的主要結(jié)論如下：①遺留三角煤柱對底板巖體的壓應(yīng)力的分布形態(tài)與煤柱上方受到的應(yīng)力大小和底板巖體的力學(xué)性質(zhì)無關(guān)，但對底板巖體及巷道的變形范圍與三角煤柱上方載荷大小與底板巖體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，得出下層煤巷的需要的加強支護距離為116m。②遺留三角煤柱對底板的應(yīng)力傳遞規(guī)律、不同應(yīng)力梯度下巷道的應(yīng)力分布規(guī)律和不同埋藏深度條件下的巷道頂板垂直應(yīng)力分布規(guī)律，確定下煤層巷道的頂板垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力的距離的距離為120m。③提出了存在遺留三角煤柱條件下，下伏煤層采準(zhǔn)巷道的輔助支護形式，巷內(nèi)輔助支撐采用單體液壓支柱挑頂梁的形式，采用該基本支護與輔助支護耦合的支護方式，能夠有效的維護巷道頂板的穩(wěn)定。

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