山體下部巖層原巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究

吳亞軍

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

原巖應(yīng)力場(chǎng)是指天然存在于原巖內(nèi)部且與人類活動(dòng)無關(guān)的應(yīng)力場(chǎng)，包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力、地?zé)釕?yīng)力等，其中自重應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力為組成原巖應(yīng)力場(chǎng)的主要部分。構(gòu)造應(yīng)力在構(gòu)造形成后的數(shù)百萬年內(nèi)已經(jīng)得到充分釋放，因此，研究中認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力為0。原巖應(yīng)力場(chǎng)是研究開采空間附近應(yīng)力重新分布情況的基礎(chǔ)，因此研究山體賦存巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)，可以為分析煤層開采過程中采場(chǎng)周圍應(yīng)力的變化，優(yōu)化工作面的支護(hù)參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 山體賦存煤層群原巖應(yīng)力場(chǎng)特征的理論分析

在山體賦存煤層群條件下，可以假定原巖為均勻的連續(xù)介質(zhì)，因此，可以應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理對(duì)原巖的自重應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算:

式中:

γ—上覆巖層的體積力，kN/m3;

H—單元體的埋藏深度，m;

λ—側(cè)壓系數(shù)。

此處假設(shè)原巖是各向同性彈性體，依照廣義胡克定律，可以得到單元體各個(gè)方向上的應(yīng)變:

由于εx=0，εy=0，σx=σy，則σx、σy之間的關(guān)系為:

一般情況下，巖石的泊松比μ 為0.2 ～0.3，側(cè)壓系數(shù)λ 為0.25 ～0.43。

假如原巖是由多層體積力不相同的巖層構(gòu)成，各個(gè)巖層的體積力和厚度依次為γ1，γ2…γi…γn;h1，h2…h(huán)i…h(huán)n。則原巖的初始自重應(yīng)力為:

由上式可得，原巖的自重應(yīng)力隨深度的增加呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)深度在一定范圍內(nèi)時(shí)，原巖處于彈性狀態(tài);當(dāng)埋藏深度超過一定范圍后，自重應(yīng)力將大于原巖的彈性強(qiáng)度，此時(shí)原巖將轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)或潛塑性狀態(tài)。

2 山體賦存煤層群原巖應(yīng)力場(chǎng)特征的數(shù)值模擬

斜溝煤礦18503 綜采工作面對(duì)應(yīng)地表山巒起伏，地表山體相對(duì)高差較大，可能會(huì)對(duì)地下開采的礦壓分布規(guī)律造成影響。為了掌握山體賦存條件下上覆巖層原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，判斷上部山體是否會(huì)對(duì)工作面的礦壓規(guī)律造成影響，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件分析了山體下部巖層的原巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，為山體賦存條件下工作面礦壓規(guī)律的研究提供指導(dǎo)。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

以斜溝煤礦8#煤18503 工作面的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立二維數(shù)值計(jì)算模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所提供的綜合柱狀圖，本次模擬實(shí)驗(yàn)共取16 個(gè)層位。所建數(shù)值模型見圖1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層實(shí)際賦存條件及研究需要，將煤層傾角放大至20°，模型的邊界條件為:

1)上部邊界條件。上部邊界條件為應(yīng)力邊界，與上覆巖層重力(∑γh)有關(guān)。為方便研究，將上邊界應(yīng)力簡(jiǎn)化為均布載荷，由于模型上邊界為地表，故模型應(yīng)力邊界條件為0。

2)下部邊界條件。模型下部邊界條件為底板，視為位移邊界條件，在x 方向速度為0，y 方向?yàn)楣潭ㄣq支座，v=0。

3)兩側(cè)邊界條件。模型兩側(cè)為實(shí)體煤巖體，視為位移邊界條件，在y 方向速度為0，x 方向?yàn)楣潭ㄣq支座，u=0。

該模型中側(cè)壓系數(shù)取λ=0.5。

圖1 山體賦存煤層群原巖應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算模型圖

由節(jié)理和塊體的本構(gòu)關(guān)系確定數(shù)值模型所需要的屬性參數(shù)，根據(jù)以往的模擬參數(shù)和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取煤層及各巖層的屬性參數(shù)見表1、表2。

表1 煤巖塊力學(xué)參數(shù)表

表2 煤巖層節(jié)理面力學(xué)參數(shù)表

2.2 垂直應(yīng)力變化規(guī)律

距離山體不同距離處垂直應(yīng)力的分布情況見圖2。

圖2 距離山體不同距離處垂直應(yīng)力的分布情況圖

由圖2a)和圖2b)可知，在距離山體50 m 和100 m 處，垂直應(yīng)力的分布受山體的影響極大，兩側(cè)山峰處的垂直應(yīng)力值分別達(dá)4.6 MPa 和5.4 MPa，而中間山谷處的垂直應(yīng)力值分別為2.2 MPa 和4.1 MPa，山峰處的垂直應(yīng)力明顯高于山谷處，兩者差值分別達(dá)2.4 MPa 和1.3 MPa，說明此處處于山體明顯影響區(qū)內(nèi)。由圖2c)和圖2d)可知，隨著巖體埋深的增加，雖然山峰處的垂直應(yīng)力依然高于山谷處，但兩者之間的差值逐步減小。距地表150 m 和200 m 時(shí)山峰處與山谷處垂直應(yīng)力差值分別為0.9 MPa 和0.5 MPa，說明此處屬于山體影響減弱區(qū)。同樣，當(dāng)與地表距離為300 m 時(shí)，山峰與山谷處的垂直應(yīng)力差值已經(jīng)＜0.1 MPa，垂直應(yīng)力受地表山體的影響已經(jīng)極其微小，可以忽略不計(jì)，因此可以認(rèn)為此范圍內(nèi)的巖體不再受地表山體影響，屬于無影響區(qū)。

2.3 水平應(yīng)力變化規(guī)律

距離山體不同距離處水平應(yīng)力的分布情況見圖3。

圖3 距離山體不同距離處水平應(yīng)力的分布情況圖

由圖3a)和圖3b)可知，在距離山體50 m 和100 m 處，水平應(yīng)力的分布受山體的影響很大，山峰處的應(yīng)力值分別為6.8 MPa 和8.2 MPa，而中間山谷處的水平應(yīng)力值則分別達(dá)到10.5 MPa 和9.7 MPa，山峰處的水平應(yīng)力明顯小于山谷處，兩者差值分別達(dá)3.7 MPa 和1.5 MPa，說明此處處于山體明顯影響區(qū)內(nèi)。由圖3c)和圖3d)可知，隨著巖體埋深的增加，雖然山峰處的水平應(yīng)力依然小于山谷處，但兩者之間的差值逐步減小。距地表150 m 和200 m 時(shí)山峰處與山谷處水平應(yīng)力差值分別為2.1 MPa 和1.2 MPa，說明此處屬于山體影響減弱區(qū)。同樣，當(dāng)與地表距離為300 m 時(shí)，水平應(yīng)力的分布在水平方向上已經(jīng)較為規(guī)律，基本在同一水平線附近小幅變化，水平應(yīng)力受地表山體的影響已經(jīng)極其微小，可以忽略不計(jì)，因此，可以認(rèn)為此范圍內(nèi)的巖體不再受地表山體影響，屬于無影響區(qū)。

3 小 結(jié)

本文分析了斜溝煤礦煤層賦存的特點(diǎn)，并通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對(duì)山體賦存煤層群的原巖應(yīng)力場(chǎng)特征進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論:

1)原巖的自重應(yīng)力隨深度的增加呈線性增長(zhǎng)，可按下式進(jìn)行計(jì)算:

2)研究中根據(jù)山體下部巖層受山體影響強(qiáng)度的不同分為3 個(gè)區(qū)，即距地表100 m 以內(nèi)的明顯影響區(qū)、距地表100 ～200 m 的影響減弱區(qū)和距地表300 m 以下的無影響區(qū)。

明顯影響區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力受山體的影響均很大;影響減弱區(qū)內(nèi)山體的影響明顯降低，但仍會(huì)造成不可忽略的影響;無影響區(qū)內(nèi)的原巖應(yīng)力受山體影響已非常微小，可以忽略。根據(jù)以上影響區(qū)域的劃分，可為不同埋藏深度煤層開采時(shí)的圍巖應(yīng)力場(chǎng)研究提供理論依據(jù)。

3)在山峰內(nèi)部，水平應(yīng)力低于正常值，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū);在山谷內(nèi)部，水平應(yīng)力高于正常值，出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)。據(jù)此結(jié)論可知，當(dāng)開采活動(dòng)處于山體影響區(qū)域以內(nèi)時(shí)，應(yīng)盡量將巷道布置于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，以降低巷道的掘進(jìn)維護(hù)成本，保證安全生產(chǎn)。

［1］ 劉新河，田靈濤，陳 龍等.薛村礦高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)煤炭.2009(03):15 -18.

［2］ 胡勝勇，劉應(yīng)科，汪業(yè)松，等.突出煤層掘進(jìn)工作面前方集中應(yīng)力帶的確定［J］.中國(guó)煤炭，2010(10):21 -22.

［3］ 劉俊杰.采場(chǎng)前方應(yīng)力分布參數(shù)的分析與模擬計(jì)算［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008(07)17 -18.