近距離煤層上組煤底板應(yīng)力分布特征研究

陳飛

【摘 要】 文章針對近距離煤層上組煤回采工作面布置困難的問題，以山西某礦近距離煤層為背景，對上組煤開采后底板的應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究。采用理論計(jì)算對9號煤層工作面開采后底板的分區(qū)情況進(jìn)行了初步分析，并通過數(shù)值模擬方法最終確定工作面的回采在煤壁前后的影響范圍。煤壁前方0～2.5m為應(yīng)力升高區(qū)，2.5～15m為應(yīng)力降低區(qū)，15m～30m為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，采空區(qū)內(nèi)底板巖層垂直應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力，為應(yīng)力釋放區(qū)。

【關(guān)鍵詞】 近距離煤層;底板應(yīng)力;應(yīng)力集中;工作面布置

【中圖分類號】 TD322+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0004-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

在我國很多礦區(qū)都有近距離煤層的存在，例如大同礦區(qū)、神東礦區(qū)等。由于間距較小，煤層之間的開采對彼此均有著較大的影響。開采近距離煤層時，首先對位于上部的煤層進(jìn)行開采，因此煤層開采時頂板多發(fā)生垮落，而底板相對穩(wěn)定。但現(xiàn)場大量實(shí)踐結(jié)果顯示，在上層煤層開采后，下層煤巷道圍巖仍處于較高的應(yīng)力環(huán)境中，巷道穩(wěn)定性差，圍巖變形嚴(yán)重。由于在上組煤開采結(jié)束后多殘余一些煤柱，煤柱周圍往往存在著應(yīng)力集中情況，導(dǎo)致位于下方的煤層承受的應(yīng)力增大，因此對上層煤開采后頂板的應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，有利于下層煤工作面合理位置的選取。

本文以山西某礦近距離煤層為工程背景，對近距離上層煤底板巖層應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析，從而為后續(xù)下層煤的工作面布局提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 礦井概況

山西某礦開采煤層為9號、10號煤層。9號煤層位于10號煤層上方，兩層煤的厚度分別為1.12m和4.23m。煤層的傾斜角度均比較小，9號煤平均為2°，10號煤平均為3°，煤層之間的距離最小為4.35m，最大為6.21m，平均為5.32m。上、下煤層頂?shù)装鍘r層情況如圖1所示。9號煤層與10號煤層屬于近距離煤層，9號煤層開采后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力情況發(fā)生改變，并且對底板產(chǎn)生一定的破壞，分析煤層開采后在底板的應(yīng)力分析情況，避開高應(yīng)力區(qū)域，有利于保證下層煤安全、穩(wěn)定的回采。

2煤層底板應(yīng)力分布理論分析

工作面煤層開采后導(dǎo)致周圍巖體的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生巨大的變化，一般情況下，工作面煤壁前方底板深部位置受到工作面回采的影響較小，而隨著工作面推進(jìn)距離的不斷增大，底板的應(yīng)力分布特征取決于頂板載荷通過煤體傳遞的作用情況，根據(jù)工作面超前支承壓力的作用原理，底板的應(yīng)力分析如圖2所示。

假設(shè)工作面煤壁位置為B點(diǎn)，A點(diǎn)為煤壁內(nèi)應(yīng)力大小等于原巖應(yīng)力的位置，在AB區(qū)域內(nèi)煤體承受的峰值應(yīng)力點(diǎn)為O點(diǎn)，大小為KγH。將峰值點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，原點(diǎn)兩側(cè)煤體載荷均按照線性載荷進(jìn)行分析，在距離原點(diǎn)η處，其承受的集中應(yīng)力大小為：

式中，a為原巖應(yīng)力點(diǎn)與應(yīng)力峰值點(diǎn)距離，m;b為應(yīng)力峰值點(diǎn)與煤壁的距離，m;K為煤體內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù);γ為頂板巖層容重，kN/m3;H為煤層埋深，m。

M點(diǎn)為底板巖層內(nèi)任意一點(diǎn)，η處對M點(diǎn)的應(yīng)力作用為：

對其求積分，可得M點(diǎn)底板承受的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力分別為：

由于9號煤層厚度平均為1.12m，屬于薄煤層工作面，因此9號煤層工作面前方超前支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)取為2.4，由于層間距為5.32m，因此取底板深度為5.32m，繪制水平應(yīng)力垂直應(yīng)力曲線圖如圖3所示。

從圖中可以看出，在煤壁后方大于10m范圍內(nèi)，水平應(yīng)力集中系數(shù)變化較為平緩且趨近于0，自煤壁后方10m開始至煤壁前方4m范圍內(nèi)，水平應(yīng)力集中系數(shù)呈線性增長，最大達(dá)到1.75，在峰值后隨著與煤壁距離的增大，應(yīng)力集中系數(shù)逐步降低達(dá)到1，說明此時圍巖的應(yīng)力與原巖應(yīng)力大小接近。與水平應(yīng)力的趨勢進(jìn)行對比，垂直應(yīng)力的變化趨勢有一定的差異，在煤壁后方隨著與煤壁的距離增大，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這是由于工作面開采對底板巖層產(chǎn)生一定的破壞，導(dǎo)致底板應(yīng)力環(huán)境釋放，應(yīng)力水平低于原巖應(yīng)力。在工作面前方約4m處垂直應(yīng)力系數(shù)達(dá)到最大為1.45，隨后開始降低直至接近于原巖應(yīng)力。根據(jù)曲線圖，得出工作面前方0～4m為應(yīng)力升高區(qū)，4m～18m為應(yīng)力降低區(qū)，18m～30m為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，煤壁后方采空區(qū)為應(yīng)力釋放區(qū)。

3底板應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬分析

根據(jù)9號煤層與10號煤層地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，模擬9號煤層推進(jìn)200m過程中底板的應(yīng)力分布特征，圖4為底板不同垂直應(yīng)力集中系數(shù)曲線圖，將不同底板深度下工作面煤壁前后30m的垂直應(yīng)力集中系數(shù)導(dǎo)出繪制曲線圖如圖5所示。

從圖4可以看出，在工作面煤壁后方采空區(qū)內(nèi)，垂直應(yīng)力均處于較低水平，這是由于煤層開采后對底板產(chǎn)生一定的破壞，巖層應(yīng)力有所釋放，隨著深度的增大，應(yīng)力集中系數(shù)也在逐步增大。在工作面煤壁的前方，垂直應(yīng)力處于較高水平，隨著底板深度的增大，垂直應(yīng)力集中系數(shù)逐漸降低，在10號煤層位置應(yīng)力集中系數(shù)仍大于1，表明10煤層在該區(qū)域內(nèi)會受到9號煤層回采的影響。

從圖5中可以看出，工作面煤壁前后位置垂直應(yīng)力曲線大致呈現(xiàn)一定的對稱關(guān)系，無論是在煤壁前方還是采空區(qū)，當(dāng)與煤壁的距離大于30m，不同深度的底板應(yīng)力集中系數(shù)均趨近于1，表明垂直應(yīng)力在此范圍內(nèi)都慢慢恢復(fù)至原始圍巖應(yīng)力狀態(tài)，因此可以認(rèn)為工作面的回采在煤壁前后的影響范圍最大為30m。

當(dāng)與煤壁的距離小于30m時，在煤壁前方，不同底板深度的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)相同的變化趨勢，均在2.5m位置處達(dá)到峰值，底板深度為1m時，峰值系數(shù)最大，為1.95，隨著與煤壁的距離增大，垂直應(yīng)力集中系數(shù)在不斷減小，與煤壁距離在15m～30m范圍內(nèi)時垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，因此可以認(rèn)為煤壁前方0～2.5m為應(yīng)力升高區(qū)，2.5～15m為應(yīng)力降低區(qū)，15m～30m為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。在工作面開采過后的區(qū)域內(nèi)，垂直應(yīng)力在底板不同深度呈現(xiàn)同樣的趨勢，在煤壁后方5m處，垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到最低，深度為1m時，應(yīng)力集中系數(shù)最小，為0.07，隨著與煤壁距離增大垂直應(yīng)力逐步上升直至原巖應(yīng)力水平。采空區(qū)內(nèi)底板巖層垂直應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力，因此認(rèn)為該區(qū)域?yàn)閼?yīng)力釋放區(qū)。

上述數(shù)值模擬分析結(jié)果與理論分析結(jié)果具有一定的相似性，驗(yàn)證了上文理論分析是合理的，從而驗(yàn)證了9號煤層開采后底板應(yīng)力的分區(qū)特征。

4結(jié)論

本文以山西某礦近距離煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對上組煤開采后底板的應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究，研究結(jié)果具體如下：

（1）采用理論分析方法，對上層煤開采后底板任意一點(diǎn)的應(yīng)力大小進(jìn)行了計(jì)算，基于9號煤層的地質(zhì)特點(diǎn)，繪制了底板深度為5.32m時煤壁前后30m范圍內(nèi)的應(yīng)力曲線圖，初步分析了底板巖層應(yīng)力分布特征。

（2）基于數(shù)值模擬方法，對理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，在工作面煤壁后方采空區(qū)內(nèi)，垂直應(yīng)力均處于較低水平，在工作面煤壁的前方，垂直應(yīng)力處于較高水平，隨著底板深度的增大，垂直應(yīng)力集中系數(shù)逐漸降低。

（3）工作面的回采在煤壁前后的影響范圍最大為30m，其中煤壁前方0～2.5m為應(yīng)力升高區(qū)，2.5～15m為應(yīng)力降低區(qū)，15m～30m為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，采空區(qū)內(nèi)底板巖層垂直應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力，為應(yīng)力釋放區(qū)。

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