極近距離上部煤層穩(wěn)定煤柱載荷在底板中的應(yīng)力傳遞規(guī)律研究

劉 文

0 引言

煤層開采將導(dǎo)致回采空間周圍巖層應(yīng)力重分布，回采空間周圍煤柱也會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且該應(yīng)力會傳遞至底板深部[1-2]。故分析煤柱在底板巖層內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律具有重要意義，尤其是對下部煤層巷道的合理位置及有關(guān)參數(shù)的確定，更好地分析下部鄰近煤層巷道的受力情況和礦壓現(xiàn)象等具有一定的指導(dǎo)意義[3-6]。本文以同煤集團(tuán)云岡礦極近距離煤層為主要研究對象，擬采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對其進(jìn)行這方面的研究。

1 工程概況

云岡礦81109 工作面開采煤層為11-2＃ 煤，屬于侏羅系中統(tǒng)大同組。其煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，只在局部發(fā)育一層夾矸（夾矸單層最大厚度0.08 m～0.1 m），總體為單斜構(gòu)造，其直接頂較薄，煤層厚度在0.6 m～2.92 m 之間、平均2.2 m，煤層傾角為2°～6°、平均傾角為4°。

2 應(yīng)力分布的理論分析

對于塑性煤柱來說，底板巖層應(yīng)力分布范圍受煤柱尺寸和煤層及頂?shù)装鍘r性的直接影響，煤柱穩(wěn)定性大幅度降低，承載能力隨之發(fā)生改變，底板煤體傳遞應(yīng)力的集中程度也降低。尤其是煤柱寬度大于塑性煤柱最小寬度時(shí)，煤柱中部有彈性核的存在，底板煤巖體傳遞應(yīng)力的集中程度相應(yīng)提高，煤柱下部底板煤體內(nèi)將形成一個(gè)影響較大的應(yīng)力增高區(qū)范圍。將煤體假定為均質(zhì)的彈性體，運(yùn)用彈性理論求解集中載荷在無限平面體內(nèi)任意點(diǎn)（θ，r）的應(yīng)力，用極坐標(biāo)形式表示如下：

運(yùn)用疊加原理將載荷延伸到自由邊界條件下受均布載荷作用（見第30 頁圖1），即均布載荷條件下底板巖體內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：q ——作用于底板巖體上的均布載荷，kN。

由以上理論推導(dǎo)可知，煤柱底板巖體內(nèi)壓力由其上支撐壓力傳遞，其應(yīng)力傳遞規(guī)律如下：

圖1 底板受均布載荷作用的計(jì)算

（1）在底板不同深度各水平面上σz在載荷中心點(diǎn)下部軸線處達(dá)到最大，當(dāng)深度增加時(shí)σz反而減小，其影響范圍可達(dá)6.25L（L 為載荷作用寬度）。而σy的影響范圍相對較小，約占1.5L。τxy的影響范圍也較小，略大于σy的影響范圍，約占2L，且在載荷作用的邊緣出現(xiàn)最大剪應(yīng)力。

（2）各水平方向上應(yīng)力不受深度的影響，即深度不同應(yīng)力也不同，同一深度上各點(diǎn)的應(yīng)力也不相同。集中載荷作用線上應(yīng)力達(dá)到最大，應(yīng)力沿兩側(cè)漫延并逐漸降低。

（3）應(yīng)力分布范圍隨距載荷作用點(diǎn)距離增大而增大。在同一垂直線上應(yīng)力和深度密切相關(guān)，大于一定深度時(shí)應(yīng)力隨深度遞增而急速降低。

3 上部煤層煤柱底板巖層應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

3.1 物理力學(xué)參數(shù)的確定

試驗(yàn)樣本取自云岡礦11-2#煤層311 盤區(qū)91109綜采工作面的皮帶巷。其中頂?shù)装甯鲙r層巖樣采用鉆孔取芯的方法選??；11-2#煤層采用掏翹法從工作面直接選取。鉆孔取芯位于2# 鉆孔距工作面430 m處。實(shí)驗(yàn)室加工試件測定出巖芯所對應(yīng)的11-2# 煤層及頂?shù)装甯鲙r層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 云岡礦11-2#煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值分析

以云岡礦11-2# 煤層開采條件為模擬原型，建立數(shù)值分析模型。數(shù)值模擬煤柱寬度l 分別為15 m、20 m 和30 m。不同煤柱寬度條件下對底板煤巖體的垂直應(yīng)力分布見第31 頁圖2。

由圖2 可以看出，隨煤柱寬度增加傳遞影響角減小。當(dāng)煤柱寬度大于30 m 時(shí)，煤柱的應(yīng)力呈馬鞍形分布，煤柱中部的應(yīng)力疊加較兩側(cè)低。按照圖2 及理論分析，可以分別得出不同煤柱寬度條件下對底板煤巖體應(yīng)力傳遞影響角δ（見第31 頁表2），不同煤柱寬度對底板煤巖體應(yīng)力傳遞影響角變化曲線見第31頁圖3。

回歸曲線方程：

4 結(jié)論

圖2 不同煤柱寬度對底板煤巖體的垂直應(yīng)力分布等值線

表2 不同煤柱寬度對底板煤巖體應(yīng)力傳遞影響角δ

圖3 不同煤柱寬度對底板煤巖體應(yīng)力傳遞影響角變化曲線

本文運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，研究云岡礦極近距離煤層群下行開采11-2# 煤層上部煤層煤柱底板巖層應(yīng)力分布規(guī)律，并繪制出不同煤柱寬度對底板煤巖體應(yīng)力傳遞影響角變化曲線，對下部煤層巷道的合理位置及有關(guān)參數(shù)的確定，更好地分析下部鄰近煤層巷道的受力情況和礦壓現(xiàn)象等具有一定的指導(dǎo)意義，為云岡礦極近距離煤層群安全高效開采提供了參考依據(jù)，對類似極近距離煤層開采分析提供了新的研究思路。

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