近距離上部煤層采空底板煤巖體中應力變化規律

摘要：近距離煤層上部煤層開采導致上覆巖層發生卸壓運動，并且出現變形，煤層底板巖層也出現一定的卸壓變形，采場圍巖應力得到重新分布，形成了高應力區和低應力區。因此分析煤巖體中應力場分布變化規律，會對作面的布置和支護方式的選擇都將產生較大幫助。

關鍵詞：近距離煤層 底板巖層 應力分布

1 概述

近距離煤層上部煤層開采導致上覆巖層發生卸壓運動，并且出現變形，煤層底板巖層也出現一定的卸壓變形，采場圍巖應力得到重新分布，形成了高應力區和低應力區。這種應力區除了形成于開采煤層內，還會依據一定的方式擴散和傳遞到上、下巖層中，在這個過程中逐漸衰減。處于高應力的巷道或其他井下工程，往往導致較強烈的變形和破壞。上下煤層之間的開采工作會隨著煤層間距離的減小而給彼此帶來更大的影響。尤其是遇到兩個煤層之間的距離很近的情況，由于上部煤層開采會在一定程度上對下部煤層開采前頂板造成破壞，使其完整度受到損害，加之上部煤層開采帶來的直接頂冒落的矸石積壓在了下部煤層的上方，且上部煤層殘留的區段煤柱的壓力集中施加在了底板上，這些都對下部煤層造成了一定的影響，改變了開采區域的頂板結構和應力環境，使極近距離煤層開采出現了礦山壓力現象。

近距離煤層上部煤層開采后，煤體下方垂直應力等值線呈斜向煤壁前方的“泡形”，采空區下方卸壓應力等值線呈斜向煤壁后方的“泡形”。底板巖層中可以分為四個礦壓顯現區（圖1.1），分別為：應力增高區、應力降低區、影響微弱區、未受影響區[1]。

1.1 應力增高區 煤層開采作業帶來了一定的支承壓力，這種支撐壓力經煤層傳遞到了底板巖層，并在煤體下方靠近采空區的區域形成增壓區。越接近煤層，這種集中應力越大。

1.2 應力降低區 由于開采后頂底板巖石離層、冒落，使得臨近煤體的采空區下方底板巖層應力大大小于原始應力的卸壓區。其變化趨勢是距離煤層越遠，其卸壓程度出現逐漸減少的趨勢。

1.3 影響輕微區 該區域受到采動影響較輕微，位置處在應力增高區和應力降低區之間，在煤體邊界處的采空區下方。

1.4 未受影響區 該區域深度較大，距離煤體上支承壓力強作用區較遠，支承壓力沒有對這一區域產生影響。

為了研究近距離煤層上部煤層開采后底板煤巖體中應力場分布變化的規律，在原有FLAC3D模型基礎上，對南屯煤礦93上05工作面的開采進行模擬，將模擬結果與9307工作面開采后3下煤中垂直應力的分布規律進行比較，從而分析出93上05工作面的開采對3下煤中垂直應力分布的影響。

2 南屯煤礦93上05工作面的開采對3下煤中垂直應力分布的影響

2.1 93上05工作面采過200m時3下煤中的應力分布規律 為了更好的反映近距離煤層上部煤層開采后底板煤巖體中應力場分布的時空變化規律，首先研究93上05工作面采過200m時3下煤中的應力分布規律。由數值模擬的結果，與9307工作面開采后的結果相比，3下煤中的垂直應力分布有以下變化規律：

①在93上05工作面下順槽附近煤巖體中的垂直應力基本沒有受到9307工作面開采的影響為初始應力場。近距離煤層上部煤層開采后，上部煤體與采空區交接處底板巖層中可以分為四個礦壓顯現區，分別為：應力增高區、應力降低區、影響微弱區、未受影響區。

②93上05工作面采過200m后，垂直應力峰值向9307工作面偏移，位于9307工作面和93上05工作面之間，兩個工作面的側向支承壓力疊加，峰值大小為45MPa。

③9307工作面和93上05工作面的垂直應力相互疊加，峰值位于93上05工作面前方9m左右，實際上是由于93上05工作面的超前支承壓力與9307工作面的側向支承壓力相互疊加所致，在3下煤層中的峰值為50MPa。距93上05工作面上順槽10m左右。

2.2 93上05工作面開采后3下煤中的應力分布規律 93上05工作面開采后，底板3下煤層中的應力分布又會產生變化，根據數值模擬結果分析可得93上05工作面開采后3下煤中的應力分布變化規律有以下幾個方面：

①由93上05工作面開采后垂直應力分布圖（圖2.1a）可以看出：隨著推進距離的增加，由于9307老頂的懸空面積增大，93上05工作面側向支承壓力增大，9307工作面和93上05工作面之間的垂直應力峰值也隨之增大，峰值達到60Mpa，應力集中系數4.3。

②93上05工作面開采后垂直應力分布圖（圖2.1b）中應力增高區和應力降低區范圍加大，這是由于采場圍巖應力的重新分布造成的。

③9307工作面和93上05工作面的垂直應力相互疊加，峰值位于93上05工作面前方9m左右，實際上是由于93上05工作面的超前支承壓力與9307工作面的側向支承壓力相互疊加所致，在3下煤層中的峰值為75MPa。應力集中系數5.6，距93上05工作面上順槽10m左右。

④從總體上看，隨著開采范圍的增加，近距離煤層采空區下煤層中的應力疊加程度增加，在上部煤層93上05工作面停采線和下部煤層9307工作面下順槽交界處，由于93上05工作面超前支承壓力和9307工作面側向支承壓力相互疊加，垂直應力達到峰值。在9307工作面采空區內，采空區邊緣應力值仍然較小，而采空區中部由于開采范圍的擴大垂直應力增加使得內部巖石不斷壓實，繼而強度不斷增加，使得上部巖層的應力傳遞到底板巖層中，部分區域恢復至原巖應力。而在9307工作面和93上05工作面之間，由于兩個工作面側向支承壓力的相互疊加形成了應力水平較高的疊加應力。在工作面推進方向前后一定范圍內也形成了超前支承壓力區，這些應力增高區對93下05工作面的布置和支護方式的選擇都將產生較大影響。

3 結語

近距離煤層上部煤層開采引起上覆巖層強烈的卸壓運動和變形，煤層底板巖層也會發生一定的卸壓變形和破壞，在采場圍巖中發生應力重新分布，形成采場周圍的高應力區和低應力區。

對于近距離煤層，將下部煤層回采巷道布置在應力降低區，有利于巷道的維護和采煤工作面的安全回采，因此，掌握上部煤層開采后底板巖層中的應力分布規律對于下部煤層回采巷道的布置和支護形式的選擇有著極其重要的指導作用。

參考文獻：

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制.北京：煤炭工業出版社，1991.

[2]劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南.北京：人民交通出版社，2005.

[3]N Mohammand，The relation between in situ and labo

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ch，Min，Sci，1997，34（2），289-297.

作者簡介：

金思德（1973-），男，畢業于山東科技大學，現在兗州煤業公司南屯煤礦防沖辦工作。