高應(yīng)力礦區(qū)工作面的合理布置

賈 強(qiáng)，劉 旭

高應(yīng)力礦區(qū)工作面的合理布置

賈 強(qiáng)1，劉 旭2

（1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，成都610054；2.四川省煤田地質(zhì)局，成都610054）

利用數(shù)值試驗(yàn)方法，探討了采空區(qū)長(zhǎng)度方向與最大水平主應(yīng)力方向的空間關(guān)系對(duì)采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布特征、位移變化特征的影響規(guī)律，為高應(yīng)力礦區(qū)制定合理工作面提供科學(xué)的依據(jù)。

高應(yīng)力；工作面；構(gòu)造主應(yīng)力；數(shù)值分析

采煤沉陷起源于地質(zhì)因素和采礦因素的綜合影響［1～2］。在諸多影響采煤沉陷的因素中，構(gòu)造應(yīng)力是不容忽視的重要因素之一。

構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的區(qū)域性和方向性，當(dāng)采空區(qū)的長(zhǎng)軸方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向夾角不同時(shí)，采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性有較大差異［3～6］。本文主要利用數(shù)值試驗(yàn)方法，探討采空區(qū)長(zhǎng)軸方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向的空間關(guān)系對(duì)采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布特征、位移變化特征的影響規(guī)律。

1　計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

本次數(shù)值模擬計(jì)算模型以某煤礦實(shí)際地質(zhì)條件為基本條件進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立。本次數(shù)值試驗(yàn)共建計(jì)算模型兩個(gè)：構(gòu)造主應(yīng)力方向分別與采空區(qū)長(zhǎng)度方向成0°角和90°角。模型長(zhǎng)度×高度×寬度為400m ×200m×70m。在模型的上方邊界施加垂直地應(yīng)力，水平方向施加水平應(yīng)力。計(jì)算所用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算所用的應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2　應(yīng)力條件表

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1圍巖變形特征與構(gòu)造應(yīng)力方向的關(guān)系

當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向平行（0°）和垂直（90°）時(shí)，從圖1～4中可見(jiàn)：

1）從影響范圍來(lái)看，當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力平行時(shí)，采煤沉陷的范圍較大。

2）當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力平行時(shí)，頂板最大下沉值為390.8mm；而當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與水平主應(yīng)力垂直時(shí)，頂板最大下沉值達(dá)447.5mm。

3）在采空區(qū)長(zhǎng)度方向和構(gòu)造應(yīng)力方向呈不同空間關(guān)系時(shí)，煤層底板的變形也不同。采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向平行（0°）時(shí)，煤層底板最大底鼓量為55.3mm；當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向垂直（90°）時(shí)，煤層底板最大底鼓量為83.4mm。

綜上所述，當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向近似平行時(shí)，采空區(qū)圍巖的變形量最??；當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向垂直時(shí)，采空區(qū)圍巖的變形量最大。由此推斷，如果工作面推進(jìn)方向平行于構(gòu)造主應(yīng)力方向，可能會(huì)對(duì)采煤沉陷有一定的抑制作用。

圖1　采空區(qū)長(zhǎng)度方向與主應(yīng)力方向平行時(shí)頂板下沉等值線圖（單位：mm）

圖2　采空區(qū)長(zhǎng)度方向與主應(yīng)力方向垂直時(shí)頂板下沉等值線圖

圖3　主斷面頂板下沉值對(duì)比圖

圖4　主斷面底板底鼓值對(duì)比圖

圖5　采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向平行時(shí)的水平應(yīng)力云圖

圖6　采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向垂直時(shí)的水平應(yīng)力云圖

2.2圍巖應(yīng)力分布特征與構(gòu)造應(yīng)力方向的關(guān)系

由于采動(dòng)影響，巖體中原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，從而引起采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布。由數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果可得，采空區(qū)圍巖的應(yīng)力分布特征（圖5～8）。由圖可見(jiàn)：

當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向平行時(shí)，煤柱附近有相對(duì)明顯的應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力最大達(dá)1.1 ×107MPa，水平應(yīng)力最大達(dá)到1.3×107MPa，其垂直應(yīng)力集中系數(shù)為2.3，水平集中應(yīng)力系數(shù)為1.3；同時(shí)在煤層頂、底板的極小范圍內(nèi)有拉應(yīng)力存在。

當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向垂直時(shí)，煤柱附近的應(yīng)力集中程度明顯增加，垂直應(yīng)力最大達(dá)到1.4×107MPa，水平應(yīng)力最大達(dá)到1.6×107MPa，垂直應(yīng)力集中范圍變小，水平應(yīng)力集中范圍變大，其垂直應(yīng)力集中系數(shù)為2.7，水平集中應(yīng)力系數(shù)為1.6；在煤層頂、底板中的拉應(yīng)力作用范圍也有明顯增大。

圖7　采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向平行時(shí)的垂直應(yīng)力云圖

圖8　采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向垂直時(shí)的垂直應(yīng)力云圖

由此可見(jiàn)，隨著采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造主應(yīng)力方向夾角的增大，采空區(qū)圍巖應(yīng)力集中程度增加，圍巖應(yīng)力集中的范圍呈增大的趨勢(shì)，因而圍巖破壞的危險(xiǎn)性也隨之增強(qiáng)。

3　小結(jié)及建議

從本次數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看：在高應(yīng)力煤礦區(qū)，隨著采空區(qū)長(zhǎng)度方向與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向間的夾角由平行（0°）變?yōu)榇怪保?0°），采空區(qū)圍應(yīng)力集中程度及采空區(qū)圍巖的變形量明顯增加。因此，在布置工作面時(shí)，應(yīng)該充分考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的影響，合理布置工作面，盡可能使采空區(qū)的長(zhǎng)度方向平行于構(gòu)造主應(yīng)力的方向，即工作面推進(jìn)方向宜平行于構(gòu)造主應(yīng)力方向。

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On Rational Layoutof Drift Faceof a H igh StressM ine Area

JIAQiang1LIU Xu2
（1-Sichuan Institute Coalfield Geological Engineering Survey and Design，Chengdu610054；2-Sichuan Bureau of CoalGeology，Chengdu610072）

This paper deals w ith influence of spatial relationship between the long axis direction and principal horizontal stress direction on stress distribution and displacement of wall rock in worked out area in order to provide scientific basis for rational layoutof drift face of ahigh stressm ine area.

high stress；tectonic principalstress；drift face；spatial relationship；numericalanalysis

［P642.3］；P618.11

A

1006-0995（2015）02-0246-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.02.022

2014-10-20

賈強(qiáng)（1978-），男，四川通江人，地質(zhì)工程師，從事煤田地質(zhì)勘探工作