李斌

摘要：沙曲二号煤矿近距离煤层煤柱下巷道布置受煤柱集中应力影响大，煤柱集中应力在底板中随深度增加逐渐向煤柱两侧扩散衰减，若巷道位于煤柱外应力递减区易使巷道受力、变形不均衡从而围岩控制困难。本文通过煤柱影响应力集中程度的研究，得出煤柱逐渐衰减点，以及不同煤柱宽度应力递减区范围，为巷道布置提供技术参数，通过现场施工矿压显现不明显，能够满足安全高效施工要求。

关键词：近距离煤层;煤柱;巷道布置;支护研究

前言

近距离煤层群因煤层间距较小，近距离煤层开采过程中相互影响明显，尤其是煤层群下行开采过程中，上煤遗留煤柱对下部巷道布置位置和围岩控制产生较大影响。巷道位置所处应力范围分别为煤柱下高应力区、煤柱边界应力递减区和煤柱外低应力区，煤柱下近距离煤层巷道布置巷道要盡量避开煤柱下高应力区。巷道布置合理后，利用桁架锚索非对称支护技术，实现围岩的有效控制。

1 煤柱下集中应力规律研究

1.1 数值模拟背景

数值模拟以沙曲二矿4#、5#煤层与煤柱采掘关系为工程背景，模拟研究4#煤层残留煤柱产生的集中应力在底板中传递规律。4#煤层与煤柱下5#煤层层间距5～6.5m。

1.2 煤柱集中应力在底板中传播衰减规律

经数值模拟软件计算得到，煤柱下高应力区域宽度随远离煤柱逐渐减小，两侧区域相对增大，说明煤柱影响应力集中程度逐渐减弱，应力逐渐向两侧区域转移。高应力区范围随深度增加向煤柱中央方向缩短，应力峰值现象随深度增加逐渐不明显;应力递减区和低应力区分界位置分别标记，分界位置随深度增加依次向两侧移动，应力递减区宽度随深度增加而增大。

1.3 煤柱集中应力下的巷道位置选择

近距离煤层煤柱下回采巷道布置，应尽量避开高应力区，将巷道布置在较低应力区，巷道围岩压力小易控制，同时应考虑避开垂直应力递减区域，以免巷道顶板受到较大剪应力作用，因此垂直应力及其变化率均较低位置为巷道较优布置位置。

对于特定地质力学条件下布置煤柱下巷道，能够采用数值模拟方法分析应力分布规律，确定应力及其变化率均较低位置。根据垂直应力值在水平方向的变化规律，不同深度底板中临界位置距煤柱边界水平距离不同，通过不同深度测线临界位置数据得到临界位置距煤柱边界水平距离随深度变化关系。根据巷道较优布置位置选择原则，临界位置可以作为巷道内错煤柱的临界水平位置。根据拟合函数和煤层间距能够得到特定条件下应力递减区范围及巷道较优布置位置，具有普适性的应力变化内在规律。

2 煤柱集中应力传播衰减理论分析

不同深度底板中垂直应力变化曲线，通过曲线斜率变化可以分析得出：

（1）在煤柱边界附近各曲线上应力值迅速下降，存在应力变化率剧烈区且下降速度随底板深度增加而减小，应力递减区范围随深度增加不断扩大，例如在距煤柱深2m底板中，垂直应力在位置1（距煤柱边界1.85m）应力值就下降到1.0Mpa，而在距煤柱深12m底板岩层中，垂直应力在位置2（距煤柱边界11m）应力值才下降到1.0MPa。

（2）各应力曲线在煤柱边界位置汇交于一点，应力值为集中应力的一半，定义该点为变迁点，该点左边（煤柱下方）底板中垂直应力值浅部大于深部应力，该点右边（煤柱外侧）底板中垂直应力值深部大于浅部。对比数值模拟中煤柱边界有塑性区，其应力曲线变迁点位置内迁。

根据煤柱集中应力对底板中岩层应力分布影响规律，煤柱外侧底板中集中应力产生的垂直应力和垂直应力变化率虽不能为零，但都能够迅速减小趋近于零，且深度方向上越靠近煤柱垂直应力变化速率越快，因此能够在煤柱边界附近选择应力较小且应力变化率较小的巷道位置。

3 煤柱影响巷道位置选择效果分析

3.1 工程应用实例分析

根据工程实际情况取4#煤层残留煤柱埋深H为403m，煤柱宽度l为45m，煤柱两侧采空区长度D为216m，覆岩平均容重γ为25KN/m，煤柱两侧顶板破断角取δ为45º，估算[9，14]煤柱载荷q为52MPa。煤柱距下部5#煤层布置工作面5302轨道巷，煤层间距取5.2m，应力衰减系数取0.1，应力变化率系数取1/52，即根据应力衰减计算计算得到应力值小于5.2MPa，且应力水平方向变化率小于1MPa/m的应力环境临界位置，经计算分析得，在距煤柱中心29m附近满足条件，即距煤柱边界6.5m，达到工程取值要求。

计算巷道较优水平位置为6.36m，与理论计算公式相近。因此，5#煤层残留煤柱下巷道合理布置位置在距煤柱边界6.5m左右，考虑煤层间距变化及巷道一定塑性区范围，确定4#煤层残留煤柱下5#煤层5302轨道巷施工位置距煤柱边界水平距离8m。根据现场巷道施工并监测巷道矿压显现状况，巷道掘进500m，巷道采用锚网索支护，巷道顶板局部位置较破碎，整体变形量很小，说明巷道较好避开上煤柱集中应力影响范围，巷道围岩控制效果良好。

3.2 工程应用物理相似模拟分析

为直观反映煤柱集中应力在底板中传播规律，根据工程实际建立物理相似模型并进行加载破坏试验，试验过程中采用液压油缸在模型顶部不断加载直至煤柱下煤岩层破坏，随着不断加载，煤柱下煤岩层逐渐发生破坏，最终煤柱下高应力区及应力递减区发生塑性破坏，破坏范围在距煤柱边界6.5m～7m，与理论分析结果一致，模拟巷道距煤柱边界8m，未直接受到集中应力影响，巷道围岩稳定。

4 支护方式

4.1 5302工作面概况

5302工作面为三采区第二个5#煤工作面，采区5#煤层首采面5301工作面在4#煤层4301工作面采空区下回采，目前已回采完毕，5301工作面轨道巷内错4301轨道巷煤柱12m。5302工作面主要在4302工作面下布置，4302工作面分上下两部分回采，中间用30m煤柱隔开。4302工作面回采上部分煤层时，与3#煤层合采，工作面长度265m，推进长度512m，工作面4302轨道巷沿空留巷;4302工作面回采下部分时，单独开采4#煤层，工作面长度216m。

施工的5302工作面轨道巷与5301工作面轨道巷相邻，两巷煤柱宽度留设受到上部4301、4302工作面区段煤柱影响严重，巷道围岩控制需要优化。该巷道与5301工作面相邻，两巷煤柱宽度留设受到上部4301、4302工作面区段煤柱影响严重，巷道围岩支护方案需要优化。

4.2 5302工作面轨道巷桁架锚索非对称支护机理

锚索桁架复向系统是能够在巷道顶板的水平和铅垂方向同时提供挤压应力的预应力支护结构，它克服了单体锚索支护不能提供水平张紧力的缺陷，使得锚固区内的煤岩体处于多维挤压状态，作用特点有以下几点：

（1）双向施力：预应力锚索桁架联合控制系统能在水平和铅垂方向同时提供主动支护力，且所受的拉应力和提供的支护力随顶板变形而增加。

（2）长软抗剪：锚索桁架长度大、抗剪性能强，斜穿过煤帮上方附近顶板最大剪应力区且作用范围大，与角锚杆和顶板共同承担剪应力，能有效控制顶板剪切破坏;

（3）线性承载：预应力锚索桁架控制系统钢绞线与顶板成线接触，钢绞线上的载荷能连续传递且能方便地施加很高的预拉力，支护作用范围大，松散破碎顶板受力状态好;

（4）锚固点稳：锚索桁架锚固点位于巷道两肩窝深部不易破坏的三向受压岩体，不易受顶板离层和变形的影响，为锚索桁架系统发挥高锚固力提供了可靠稳固的承载基础。

4.3 5302轨道巷锚索桁架支护设计

（1）5302轨道巷顶板支护方案

①锚杆规格参数：顶板采用Φ22×2400mm螺纹钢锚杆（配套使用一块100×100×16mm小垫片）锚杆间排距700×900mm，配套4m6眼w钢带。顶锚杆初锚力不小于30KN，锚固力不小于60KN;

②锚索桁架规格参数：单体锚索和槽钢锚索规格均为Φ17.8×5300mm，单体锚索（配套使用一块200×200×16mm方垫片）。 锚索预紧力不得低于110KN，锚固力不得低于230KN。

锚索桁架布置：间排距为1300mm×1800mm，钻孔深度4800mm，煤柱帮侧锚索距巷帮600mm。靠近两帮的锚索钻孔与顶板垂线的夹角为15°，中间的锚索垂直顶板布置。

钢筋梯子梁规格：三根锚索用钢筋梯子梁连接，长度3300mm×70mm（长×宽），采用整根φ16mm的鋼筋弯曲后，对距钢筋梯子梁端头0～150mm范围内的搭接处（搭接长度150mm）进行高质量焊接加工;在距钢筋梯子梁左端头670～680mm、1970～1980mm处用厚4mm、宽100mm的薄钢板进行包裹连接。槽钢规格：巷道中部锚索和靠煤柱帮侧锚索采用16号槽钢连接，长2000mm。

（2）5302轨道巷两帮支护方案

锚杆型号：Φ22×2400mm螺纹钢锚杆（配套使用一块150×150×10mm小垫片），帮锚杆扭距不得低于200N·M，锚固力不得低于50KN。锚杆间排距800×900mm，配套1.9m3眼w钢带。靠近顶板处锚杆向上倾斜15°，靠近底板处锚杆向下倾斜15°，其余垂直布置。护帮材料：长×宽为10×1.0m聚丙烯双抗网支护。

（3） 5302轨道巷支护效果分析

图3为5302轨道巷外段两帮及顶板位移量，巷道支护后整体变形量较小，巷道煤柱帮比煤体帮鼓帮量大，巷道左帮鼓帮量最大值为0.088m，右帮鼓帮量最大值为0.031m。巷道顶板位移量较小，顶板表面下沉量0.048m。

5 结论

（1）根据分析煤柱集中应力在底板中传播特征，在煤柱边界位置不同深度底板中应力变化率达到最大值，且随着深度的增加应力变化率逐渐减小，在煤柱宽度方向上应力变化率值随远离煤柱边界逐渐向零趋近，满足工程需求的巷道合理内错位置，为煤柱下巷道水平位置选择提供了依据。

（2）根据现场工程实际，得出煤柱下近距离煤层巷道内错煤柱距离的最优值，巷道布置工程效果较好，通过矿压分析，验证了巷道布置的合理性。

（3）采用锚索桁架非对称支护技术，5302轨道巷围岩应力、两帮及顶板变形位移量均在合理的范围内，控制效果良好，支护方案合理。

（4）5302轨道巷距煤柱边界水平距离为8m，较相邻的5301轨道巷减少4m，则5302工作面可多回采煤炭资源1.64万吨，折算精煤1.066万吨，按照沙曲精焦煤长协价1280元/吨计算，可创造经济效益1364.5万元。

（5）采用该支护技术后，保障了近距离煤层开采过程中的围岩支护质量，且巷道无需进行工字钢棚二次补强维护，大大降低了工人劳动强度，可节约材料费用约46.2万元。

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