極近距離上部煤層煤柱對底板應力分析

孟 雷

（山西焦煤集團有限責任公司官地礦，山西 太原030022）

我國地域遼闊，物產豐富，能源種類分布較為集中。但我國能源大致呈現(xiàn)出少油少氣多煤的特征。煤炭資源形成時間漫長，由于地表的下沉、地層的運動、人工的擾動等原因，煤炭資源的賦存條件產生了巨大的差異。煤層埋深、煤層的傾角和煤層的厚度對煤炭資源的開采有著巨大的影響。隨著開采年限的不斷增大，容易開采的煤層大多已經被開采，所以煤炭資源的開采大趨勢是對賦存條件較為復雜的煤層進行安全高效的開采[1]。極近距離煤層的開采一直是一個熱門的研究課題[2，3]。由于在進行極近距離煤層開采時，上層煤層的開采會對下層煤層的頂板進行一定的擾動，當上部煤層完成開采后，上層煤層的頂板垮落后，垮落的巖體會對下層煤層的頂板造成一定的沖擊載荷；當進行下層煤層開采時，煤層的頂板由于受到上層頂板垮落的巖體的沖擊會發(fā)生冒落災害，巷道的圍巖變形也會增大，對巷道的維護提出了一定的難度。此前眾多的學者對極近煤層的開采進行了一定的研究[4]。本文通過數值模擬對極近距離煤層的采空區(qū)巷道的穩(wěn)定性進行了一定研究，為以后的極近距離煤層的開采提供了一定的指導和指引。

1 模型建立過程簡介

為了更好地分析和研究上部煤層垮落及遺留煤柱對下層煤層頂板的應力載荷，本文選取FLAC-3D數值模擬軟件對此進行了一定的分析和研究。通過對現(xiàn)場煤層的地質條件進行監(jiān)測，對模型中的力學參數進行設置，上層煤層（4號）的埋深為280 m，煤層的傾角為3°，煤層的厚度為2 m，下層煤層與上層煤層的平均間距為1 m，下層煤層的厚度為4 m，由于煤層的傾角都較小，本次模擬默認煤層傾角為0°的水平煤層。選取上部煤層的上覆巖層厚度為59 m，底板的厚度設定為34.1，上下煤層的間距選取為1 m，模型的高度總計為93.3 m，模型的長度設定為200 m，在考慮模型長度時，默認4108工作面與4019工作面的長度均為100 m，同時預留120 m的邊界，所以模型的長度設定為320 m。模型的示意圖如圖1所示。

圖1 模型設置示意圖

對模型進行約束設定，對模型的x方向和y方向進行固定。對模型的上表面施加上覆巖層對模型的載荷，計算載荷自身質量時，將上覆巖層的容重選取為2 500 kg/m3，模型的破壞準則選取為庫倫-摩爾準者，庫倫-摩爾破壞準者一般應用于巖體的拉伸和剪切破壞，庫倫-摩爾準則如下：

式中：σ1與σ3分別代表最大主應力與最小主應力；θ為巖體的內摩擦角；c代表巖石的粘結力；α為摩擦角。當公式中的f＞0時，材料發(fā)生剪切破壞或拉伸破壞。庫倫-摩爾準則可以有效的反應巖石的內部破壞情況。

2 模擬結果分析

對單側采空區(qū)和雙側采空區(qū)的遺留煤柱對底板的應力分布情況進行分析，本文選取的遺留煤柱的寬度為20 m，單側采空區(qū)和雙側采空區(qū)的模擬云圖如圖2所示。

圖2 單雙側采空區(qū)煤柱對底板應力對比圖

從圖2-1可以看出煤柱的左側為實體巖層區(qū)，在此區(qū)域內巖體產生應力集中，最大的壓應力高達18.3 MPa，隨著距離煤柱的邊緣線不斷增加，巖層受到的工程擾動逐步下降，在距離大到一定程度后，巖體受到的力慢慢降低到原巖應力。在煤柱的右側采空區(qū)區(qū)域應力分布明顯小于煤柱的左側，且在靠近煤柱的采空區(qū)頂板和底板區(qū)域產生一定的拉應力，在此區(qū)域內的采空區(qū)頂板和底板受到的應力明顯小于原巖應力，在此區(qū)域會產生一定的拉應力，最高的拉應力為0.11 MPa，隨著與煤柱的邊緣線距離的增加，采空區(qū)的頂板與底板的壓應力不斷增加，在距離大到一定程度后，巖體受到的力慢慢降低到原巖應力。

圖2-2為雙側采空區(qū)遺留煤柱對采空區(qū)底板的應力分布圖，可以看出在雙側采空區(qū)下，煤柱的穩(wěn)定性較好。在煤柱的倆側會形成一定的塑性區(qū)域，在倆側煤柱的中間部位會形成一定的壓應力峰值區(qū)域，壓應力的峰值為16.6 MPa，在內側區(qū)域隨著距離煤柱邊緣線的距離不斷增加，巖體慢慢回歸原巖應力。在采空區(qū)的頂板和底板區(qū)域會形成一定的拉應力區(qū)域，拉應力區(qū)域的最大值為0.12 MPa，隨著距離煤柱的邊緣線越來越遠，巷道的巖層的應力分布逐步升高至原巖應力值。

為了研究不同煤柱寬度對底板的應力分布，本文選取不同的煤柱寬度10 m和20 m進行數值模擬研究，給出了不同煤柱寬度下的底板巖層應力的分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，不同煤柱的寬度對底板的應力分布情況是不同的，當煤柱的寬度為10 m時，在煤柱在中心位置對底板的壓力最大，當煤柱的寬度較小時，底板的應力呈現(xiàn)出應力集中現(xiàn)象，在煤柱的中心線位置，應力出現(xiàn)峰值，達到了21 MPa，底板的應力分布曲線呈現(xiàn)出對稱分布，對稱軸為煤柱的中心線。由于煤柱的寬度較低，煤柱對底板的應力分布呈現(xiàn)出倒V型；當煤柱的寬度增加到20 m時，煤柱的受力情況明顯不同于煤柱寬度為10 m時對底板的應力分布，寬度為20 m的煤柱對底板的壓力呈現(xiàn)出倒W型。底板的垂直應力呈現(xiàn)出對稱分布，對稱軸一樣為煤柱的中心線，不同的是垂直應力的最大值不在此對稱軸上，最大值出現(xiàn)在對稱軸左右5 m的位置處，煤柱底板的垂直應力最大值為14.7 MPa。從上層煤柱對底板的應力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著向采空區(qū)方向的推進，底板的垂直應力呈現(xiàn)出減小的趨勢，且在煤柱正下方為應力的增高區(qū)，而在煤柱的邊緣應力開始降低。本文將原巖應力設置為一條水平的等值應力線，可以清楚的看出煤柱對底板的應力分布的增高與減小區(qū)。

圖3 不同的煤柱寬度下底板應力分布圖

根據數值模擬的研究發(fā)現(xiàn)，上部煤層的遺留煤柱會對底板的應力分布造成較大的影響，當上部煤層的煤柱較為穩(wěn)定時，煤柱的正下方會出現(xiàn)下應力集中現(xiàn)象，當上部煤層與下部煤層的距離較近時會對下層煤層開采時造成一定的安全隱患。所以在進行下部煤層開采時應當充分考慮下部工作面的穩(wěn)定性。且在進行煤柱的設置時應當保證煤柱處在應力均衡位置，非均勻的載荷會在下部煤層附近出現(xiàn)應力過載的情況，所以在極近煤層開采時，煤柱的設置區(qū)域應當盡量處于應力均勻區(qū)域。

3 結論

1）通過單側采空區(qū)的模擬可以看出在煤柱左側會產生應力集中，壓應力最大為18.3 MPa，隨著距離煤柱的邊緣線不斷增加，應力逐步慢慢降低到原巖應力。煤柱右側采空區(qū)出現(xiàn)一定的拉應力，最高的拉應力為0.11 MPa。

2）雙側采空區(qū)遺留煤柱倆側會形成一定的塑性區(qū)域，倆側煤柱中間部位會出現(xiàn)壓應力集中區(qū)，壓應力的峰值為16.6 MPa，在采空區(qū)的頂板和底板區(qū)域會形成一定的拉應力，拉應力的最大值為0.12 MPa。

3）對不同寬度的煤柱對底板應力分布進行分析發(fā)現(xiàn)，當煤柱寬度為10 m時，應力呈現(xiàn)倒V型，最大峰值為21 MPa；當煤柱寬度為20 m時，應力呈現(xiàn)倒W型，最大峰值為14.7 MPa。