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《煤礦開采雜志》2014年第三期

1工程概況

新柳礦井田主采9號、10號和11號煤層，層間距離小且不穩定，層間距0.07～23m，平均2.66m，下層煤開采受上層煤影響嚴重，屬近距離煤層群開采。目前10號煤大部分采完，留下了大量區段煤柱。正在進行回采的2311工作面開采11號煤，11號煤厚4.6～6.9m，均厚5.1m，煤層較穩定，含有4層夾矸，厚約0.02～0.1m。煤層傾角平均6°左右，屬近水平煤層。直接頂為頁巖，均厚4m，基本頂為致密堅硬砂巖，均厚6m，底板為鋁土泥巖。10號煤層平均厚度3m，上距9號煤層1.5m，頂板為灰黑色、深灰色泥頁巖，該層泥頁巖性脆，節理比較發育。9號煤層直接頂為一層泥巖，厚0～1.7m，平均厚度1m，水份含量較高，氧化現象比較明顯，基本頂為K2石灰巖，厚5～6m，底板為10號煤層頂板。2311工作面采用大采高綜采一次采全高走向長壁后退式采煤法，工作面長度200m，采高5m，采用盤區式布置方式。2311工作面回采期間上下巷局部區段礦山壓力顯現極其嚴重，其中靠煤壁一端顯現略強于另外一端，而頂板的破碎程度卻比兩幫小很多。初步推斷其主要原因是由于10號煤層殘留的煤柱在底板產生應力集中，導致兩幫的破壞極其嚴重。

2煤柱底板應力分布

上煤層開采改變了原巖應力分布狀態，不僅在工作面四周形成支承壓力，而且支承壓力向煤層底板傳播，會在底板重新分布，由于殘留煤柱的存在，將在煤柱下方形成應力增高區、在遠離煤柱一定距離采空區下方形成應力降低區，見圖1所示。圖1煤柱底板應力分布對于自然垮落法管理頂板的采用長壁工作面開采，采空區上覆巖層隨著工作面向前推進周期性垮落。整個工作面上覆巖層表現為分段、分期、遷移垮落的特征。工作面中部上覆巖層破斷垮落充填采空區，而靠近端頭采空區上覆巖層則由于深入煤柱和工作面前方煤體內，部分位置呈鉸接懸露的狀態，因而把自身部分重量以及上覆巖層的載荷轉移到了煤柱和前方工作面煤體內，形成了高于原巖應力的應力增高區。對于塑性煤柱，由于煤柱的穩定性大大降低，煤柱的承載能力將會發生改變，相應向底板煤傳遞應力的集中程度明顯降低。當煤柱寬度大于塑性煤柱最小寬度，煤柱中央存在彈性核區，煤柱向底板傳遞應力的集中程度增高，相應在煤柱下的底板煤層中會有一個影響范圍較大的應力增高區。而煤柱寬度大小和煤層及頂底板巖性對煤柱集中應力在底板巖層分布范圍有直接影響。

3殘留煤柱底板應力數值模擬

3.1模型建立不同殘留煤柱寬度在底板形成的應力集中程度及支承壓力不均衡程度不同。以新柳礦地質條件為原型，采用UDEC2D軟件模擬不同煤柱寬度下底板應力分布，采用平面應變模型，模型長500m，高100m。模型上部施加5MPa壓力，模型底部及左右均為固定邊界，力學參數如表1所示。

3.2模擬結果分析圖2為上位10號煤層開采后不同殘留煤柱寬度(5m，10m，15m，20m)底板支承壓力集中系數分布圖。從圖2中可以看出:(1)應力增高區主要集中在煤柱正下方，應力降低區集中在距煤柱邊緣一定距離的采空區下方。殘留煤柱寬度為5m時，下煤層巷道所在水平的應力降低區距煤柱中心線水平距離9m;殘留煤柱寬度為10m時，應力降低區距煤柱中心線水平距離13m;殘留煤柱寬度為15m時，應力降低區距煤柱中心線水平距離17m;殘留煤柱寬度為20m時，應力降低區距煤柱中心線水平距離21m。(2)隨著煤柱寬度的增加，煤柱傳遞影響角基本保持不變，但影響范圍增加，且應力集中系數增大。殘留煤柱寬度為5m時，底板應力集中系數最大值是6;殘留煤柱寬度為10m時，底板應力集中系數最大值是10.5;殘留煤柱寬度為15m時，底板應力集中系數最大值是12;殘留煤柱寬度為20m時，底板應力集中系數最大值是14.5。因此，近距離煤層上煤層開采后殘留煤柱會在下煤層形成應力集中，且煤柱越寬，在底板中形成支承壓力集中系數就越大，影響范圍也越大。下煤層巷道應布置在距煤柱水平距離一定范圍內應力降低區內。

4現場實測分析

下煤層回采過程中，上煤層開采后殘留煤柱在下煤層形成應力集中，如果回采巷道布置在上煤層殘留煤柱產生的集中應力影響范圍內，巷道將產生較大變形。通過在現場實際測量集中應力影響下的巷道以及未受集中應力影響的回采巷道頂底板及兩幫的變形量，根據所測數據分析上煤層殘留煤柱對下煤層回采巷道的影響，以確定上煤層殘留煤柱留設的合理寬度，為下煤層的回采巷道設計以及支護提供依據。通過對下煤層241103，241105工作面回采期間兩巷變形量的觀測，對得到的數據進行整理分析得出下煤層回采巷道布置于上煤層留設不同寬度(5m，10m，15m，20m)的煤柱下以及巷道布置在煤柱影響范圍之外的圍巖位移量曲線，如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可知，巷道布置在上煤層殘留煤柱影響區外時，巷道頂底板及兩幫移近量都相對較小，受采動影響后最大移近量為350～360mm;隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖變形量也增大，煤柱寬度為20m時，巷道頂底板移近量達到2000mm，是巷道布置在煤柱影響區外巷道變形量的5.7倍，是煤柱寬度為5m時巷道頂底板移近量的2.5倍;工作面推進過程中，巷道在距工作面前50m范圍內，巷道兩幫及頂底板移近量較大，而在距離回采工作面90m以外的范圍時，巷道表面移近量較小。因此，可以認為工作面采動超前支承壓力影響范圍為90m，其中距工作面50m范圍內為超前影響劇烈階段，相對于巷道布置在上層煤殘留煤柱影響區外，受上煤層殘留煤柱影響的巷道變形量很大。因此，下煤層回采巷道布置及支護參數的優化設計應考慮上煤層殘留煤柱及本煤層采動影響情況。采取與上煤層殘留煤柱平行的方式布置工作面，把巷道布置在與煤柱中心線有一定距離采空區下方應力降低區內，避開殘留煤柱應力集中對回采巷道的影響;同時在保證煤柱穩定的前提下，減小本煤層區段煤柱寬度，使回采巷道處于采空區側向支承壓力降低區;此外，還要對錨梁網索支護參數進行合理設計，提高控制圍巖變形能力。

5結論

以新柳礦近距離煤層開采過程中，受上煤層殘留煤柱產生的集中應力影響的下煤層工作面回采巷道為背景，采用數值模擬及現場實測等研究手段對上煤層區段煤柱留設的合理寬度進行研究得出以下結論:(1)上煤層殘留煤柱的正下方產生一定區域的應力增高區，殘留煤柱寬度越大，應力集中系數越大，同一水平處底板巖層應力集中系數在煤柱中心線處最大;煤柱邊緣一定距離的采空區下為應力降低區，煤柱寬度越小，應力降低區距離煤柱中心距離越小。(2)實測表明布置在殘留煤柱影響區域外的巷道頂底板及兩幫移近量較小，殘留煤柱下方巷道圍巖變形量較大，分析得出殘留煤柱寬度越大，巷道變形量越大。當殘留煤柱為20m時，圍巖變形量達到2000mm，嚴重影響工作面正常生產。(3)上煤層留設區段煤柱在滿足安全生產的前提下，應當盡量減小其寬度，從而減少煤柱對下層煤回采的影響。下層煤回采巷道應該布置在上層煤殘留煤柱影響區域外的應力降低區內，有利于巷道的維護，從而保證工作面安全生產。

作者：任志成孔德中宋高峰單位：中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院