下層煤應力分布規律與巷道破壞特征研究

王 偉

（大同煤礦集團燕子山礦綜采一隊，山西 大同 037037）

下層煤開采是我國煤礦開采中常見形式是針對近距離分布的煤層的下行開采。由于煤層距離近，且上煤層開采后的采空區會改變下層煤應力分布情況，所以下煤層開采的巷道支護工作就變得非常復雜，巷道布置變得相對困難。針對近距離煤層應力的研究近年來比較少，如果支護情況不好，不僅有可能造成支護成本大大提高，還會增大開采工作危險系數。因此有必要對下煤層開采過程中應力分布情況進行研究，對巷道的破壞特征進行分析，從而根據應力分布規律及破壞特征，設計行之有效的巷道支護方案，為下煤層開采提供保障。本文以同煤集團燕子山礦為研究對象，通過理論分析及數值模擬的方法研究了下層煤應力分布狀況及圍巖破壞特征，提出了優化支護方案。

1 下層煤應力分布理論研究

1.1 下層煤應力分布

燕子山煤礦位于大同煤田西北邊緣。礦井井田東與馬脊梁溝和大同市地方煤礦相鄰，南與馬脊梁井田相鄰，西與東周窯井田和侏羅系古剝蝕邊界相鄰，北以十里河最高洪水位線為界。分析煤層為該煤礦8#和9#煤層，其中8#煤層為上覆開采煤層，9#煤層位于8#煤層采空區和煤柱下方。

近煤層中上煤層開采后圍巖應力發生改變，頂板垮落后應力增大，經煤層傳遞后傳至下煤層，導致后者出現應力分布改變，巷道圍巖應力狀況隨之改變，嚴重情況下導致圍巖變形破壞。上煤層回采以后頂板垮落，采空區產生支承壓力，該壓力與上煤層重力、煤層結構以及煤層高度有關，支承壓力分布如圖1所示。

圖1 采空區支承壓力

由圖1可以發現，距離煤柱較遠處壓力為原巖應力，大小為γH，而在采空區臨近區域出現壓力最大值。可將上煤層回采后下方煤層作為理想彈性體，經采空區支承壓力下傳后，下方巖體某點垂直應力可計算，煤柱下部可生成壓力增長區，采空區下方生成壓力減小區。下煤層應力會隨著上煤柱距離改變而改變，根據燕子山礦的參數，基于彈性理論進行計算，可得下煤層垂直應力分布情況，如圖2所示。

圖2 下煤層垂直應力分布情況

由圖2可以發現距離煤柱較遠處下方煤層壓力為原巖壓力，煤柱下方有應力集中現象發生，采空區之下煤層垂直應力減小。產生這種現象的原因是上層煤壓力下傳，采空區具有釋放壓力的作用。由此可見，正常狀況煤層壓力應為原巖壓力，如果上層開采后，下層煤會產生垂直應力集中，極限值可達3倍原巖應力。采空區的釋壓作用會降低垂直壓力傳遞，從而煤層壓力低于原巖壓力，釋壓作用和應力集中作用都會隨采煤深度逐漸減弱。

1.2 巷道圍巖應力分布

上層煤開采后會減弱附近巖體應力分布狀況，采空區壓力釋放，煤柱區壓力增大，下煤層應力的改變引起了巷道圍巖應力分布的改變。應力的改變可能會引起巷道破壞，對于煤柱下方應力集中升高的區域可能會破壞巷道支護，而對于采空區下方應力減小，對巷道支護改變較小，下層巷道支承壓力如圖3所示。

2 應力數值分析

在下煤層應力場理論分析的基礎上，想要進一步準確分析巷道圍巖應力情況需進行數值模型的分析，從而根據圍巖應力分布情況，對巷道支護進行穩定優化。通過FLAC3D軟件建立近煤層開采的數值模型。

通過加載煤層屬性，添加重力和頂面壓力，最終形成應力平衡。根據該礦實際開采順序，先對上煤層回采，步進為5m，循環進行回采，利用彈性材料填充采空區，模擬采空區支撐壓力，直到回采結束后對下層煤進行回采，并計算應力。上煤層回采后下層應力場分布將發生改變，上層煤回采后圍巖應力場分布如圖4所示。

圖4 采空區下層圍巖應力分布

根據圖4回采后應力分布圖可以看出，采空區下層會出現應力釋放，小于原巖應力值，而煤柱附近產生應力集中現象，垂直應力在煤柱下方出現極限值，隨距離增大逐漸降至原巖應力值。采空區右上圍巖出現應力集中，下煤層圍巖應力改變較小。采空區域肩角產生應力集中，極限值為11.4MPa，底角處也產生了應力集中，極限值為4MPa。應力集中區域較小，由此可驗證上煤層回采導致下煤層產生了剪切應力。對下煤層應力狀況進行總結，建立下煤層應力分布曲線圖，如圖5所示，由圖可以看出，煤柱下應力出現激增現象，位置處于下方4.5～24m處。采空區下層應力降低，位置位于下方3.5～39m 處。

圖5 下煤層應力分布曲線

根據下煤層應力分布情況，對巷道圍巖進行試驗，分析不同位置圍巖塑性分布，上層煤回采后的采空區下方區域巷道兩邊應力較小，煤柱下巷道兩邊應力增大，其他煤層應力增大區之外巷道近似原巖應力巷道。所以對于巷道布置應設置在煤柱下方煤層壓力增大區域之外，以此來降低巷道圍巖的破壞可能性。如果在煤柱下方開采，可把錨索布置在兩肩區域，且要增加錨桿強度。

3 結論

文章針對近距離煤層中的下煤層進行研究，在上煤層回采后會改變下層煤應力場分布，運用應力場理論分析的方法對下煤層進行了受力分析。以燕子山礦井的地質狀況為例，在理論分析基礎上，通過FLAC3D軟件建立了近距離煤層的數值分析模型，得出了下層煤應力場分布規律，在此基礎上對下層煤巷道圍巖的破壞狀況進行了分析，為巷道布置及支護優化方案提供了理論依據。