Research on Stress Characteristics and Support Technology of Underway Coal Pillar Under Roadway
林永民 LIN Yong-min；赵娜 ZHAO Na；陈琳 CHEN Lin
（华北理工大学，唐山 063210）
（North China University of Science and Technology，Tangshan 063210，China）
摘要：针对某矿遗留三角煤柱对下伏煤层巷道应力扰动大，下伏煤层巷道围岩变形量大、加强支护区长度难以确定等难题，采用有限差分的数值模拟计算的方法，得出了上覆三角煤层对下伏巷道的影响范围，并分析了巷道加强支护区的应力场分布特征、下伏煤层巷道不同应力梯度的变化规律，及不同埋藏深度条件下遗留三角煤柱对下伏煤层巷道顶板垂直应力的影响规律，提出了合理的巷道加强支护区的支护范围与支护方式，在现场进行了工业性试验，研究结果可以为类似地质条件下的巷道支护方案的设计提供借鉴。
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.
关键词：遗留三角煤柱；应力扰动；应力梯度；巷道支护；加强支护距离
Key words: left triangular pillars；stress disturbance；stress gradient；roadway support；reinforced support distance
中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）23-0138-03
0 引言
近距离煤层群在我国分布广泛，赋存和开采所占比重较大[1-3]，大部分矿区存在煤层群开采的问题，上部煤层开采结束后遗留下来不具有开采价值的三角煤区对下伏煤层巷道的影响是关系到煤炭资源安全高效开采和提高经济效益的关键问题。关于近距煤层开采煤柱下方底板应力的传递规律以及下部煤层的布置方式，已经有大量的学者进行了研究。罗吉安等[4]对上覆煤柱内集中应力分布情况进行分析，总结出了不同宽度煤柱下方底板应力的传递及分布规律；徐军等[5]采用数值计算的方法研究了巷道开挖前残留煤柱的初始应力场和位移场的应力分布规律；赵维生等[6]采用数值分析和现场工业性试验的方法，研究了遗留煤柱下伏煤岩体的强度系数和应力影响规律；康继忠[7]、姜鹏飞[8]、许磊[9]、张付涛[10]等研究总结了近距离残留煤柱底板应力场的形成和应力传递机理；谢文兵[11]等采用三维数值模拟方法,详细分析了近距离煤层开采条件下，上煤层残留煤柱对下煤层工作面开采冲击危险性的影响；康官先[12]、王晓东[13]、孟浩[14]、索永录[15]、鲁岩[16]等对下部煤层开采的巷道位置进行了研究；众多学者对近距煤层中保护煤柱下方的底板应力场分布和下伏巷道的合理布置方式进行研究，并且取得了一定的成果，但是对遗留的孤岛煤柱对下伏巷道的影响研究较少，当下伏巷道位于遗留的三角区煤柱正下方时，下伏巷道的合理支护方式及加强支护距离的确定缺乏研究。
本文根据某矿中存在的实际问题，采用理论计算的方式确定了遗留三角煤柱下方巷道加强支护距离，并采用有限差分法进行数值计算对理论部分进行验证，并分析了遗留三角煤柱对底板岩层的应力分布规律，从应力梯度和不同埋藏深度的角度对巷道顶板应力变化进行了研究，其研究结果对类似条件的巷道支护设计有借鉴意义。
1 研究背景
某矿位于山西省临汾市，主要含煤地层为山西组和太原组，产能为120万吨/年，含可采煤层3层，编号为3、6、15下，目前3#煤层已经开采完毕，3#煤层采用沿空留巷的方法进行煤炭开采，由于井田边界和地质条件的限制，3#煤层中遗留下孤岛三角煤柱未进行回采。目前正准备回采6#煤层，其中一条采准巷道位于3#煤层遗留三角煤柱的正下方，为了维护该条巷道稳定，保证资源安全高效的开采，需要对该巷道的支护方式进行研究。
2 数值模拟分析
为了分析上覆岩层遗留三角煤柱对下伏巷道围岩稳定性的影响，采用有限差分法建立了数值分析模型，模型如图1所示，模型尺寸为300×300×22m，本构模型采用库伦摩尔模型，单元总数为910300。最上层的砂质泥岩埋深为200m，遗留三角煤柱位于3#煤层，遗留的孤岛三角煤柱周边已经采空，采空区充分垮落，三角煤柱为等腰三角形，底边长度为100m，高为100m；3#煤层与6#煤层的垂距为10m，在6#煤层掘进巷道的断面尺寸的宽度为4m，高度为3.5m，巷道位于等腰三角形的中位线正下方，并且走向相同；模型顶部施加5MPa垂向正应力，边界的水平应力为2.5MPa的压应力，模型底部和侧面采用位移约束，模型中的各层岩石的物理力学系数见表1。
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3#煤层开采结束后，遗留下三角煤柱支撑上覆顶板岩层，周边为采空区，图5为6#煤层顶板平面的垂直应力分布图，垂直应力区明显呈现出三角形分布，垂直于三角煤柱边长的方向，应力呈现出双峰形状的分布，应力峰值为8MPa；三角形煤柱外侧的应力峰值为7MPa。图2中A、B点坐标为（150，93）、（150，207），中A、B点连线明显为巷道的应力增高区部分，加强支护的距离为114m。
从图2分析可知，当埋深为215m时沿巷道的走向方向存在着若干个应力峰值，当上伏三角煤柱对巷道没有影响时，垂直原岩应力为5.35MPa，将巷道顶板垂直应力大于原岩应力的范围定位加强支护的距离，即为图中α的距离为114m。
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3 支护方式的确定
6#煤层的采准巷道掘进过程中，根据6号煤层具体地质状况，采用理论分析方法和其他工作面成功回采的经验类比法，确定了采准巷道的断面尺寸为宽×高＝4.0×2.8m，其基本支护形式如图3和图4所示，锚杆的型号为MSGLD-335/18×2200，共4根，间排距1200×1000mm，巷道掘进期间每两排锚杆布置一根锚索，锚索布置的排距为3000mm。
采准巷道进入上伏三角煤柱区的应力影响范围内，巷内进行辅助支撑，采用单体液压支柱挑顶梁的形式，具体布置参数见图11，布置2根单体液压支护，支柱距离煤壁的距离为0.2m。顶梁可以采用工字钢梁，梁长4.0m，间距为1m，垂直巷道轴线方向布置，辅助支护距离为120m，实践证明，巷道顶板垂直应力增高区的变形很小。
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4 结论
本文开展了上伏遗留三角煤柱对下层煤巷道的垂直应力场分布规律和下层煤巷支护方式的研究，根据数值计算的分析，提出了下层煤巷的支护距离及辅助支护方式，得出的主要结论如下：①遗留三角煤柱对底板岩体的压应力的分布形态与煤柱上方受到的应力大小和底板岩体的力学性质无关，但对底板岩体及巷道的变形范围与三角煤柱上方载荷大小与底板岩体的力学性质有关，得出下层煤巷的需要的加强支护距离为116m。②遗留三角煤柱对底板的应力传递规律、不同应力梯度下巷道的应力分布规律和不同埋藏深度条件下的巷道顶板垂直应力分布规律，确定下煤层巷道的顶板垂直应力大于原岩应力的距离的距离为120m。③提出了存在遗留三角煤柱条件下，下伏煤层采准巷道的辅助支护形式，巷内辅助支撑采用单体液压支柱挑顶梁的形式，采用该基本支护与辅助支护耦合的支护方式，能够有效的维护巷道顶板的稳定。
参考文献：
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