近距離煤層開采圍巖破壞規(guī)律分析

王立明 岳龍?zhí)?/p>

摘 要：本文以友眾煤礦3#煤層賦存條件為工程背景，分析了近距離煤層開采時(shí)，上覆巖層未充分垮落、充分垮落兩種情況下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，并采用滑移線場(chǎng)理論計(jì)算了底板損傷深度。

關(guān)鍵詞：近距離；滑移線場(chǎng)；底板損傷深度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.063

近距離煤層上部煤層回采后，因物理空間發(fā)生變化導(dǎo)致采空區(qū)圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)改變，伴隨著圍巖應(yīng)力重新分布，上覆巖層產(chǎn)生移動(dòng)、變形與破壞現(xiàn)象，并且從上往下發(fā)展，對(duì)下部煤層的開采產(chǎn)生顯著影響。山西壽陽段王集團(tuán)友眾礦主采3#煤層，煤厚1.20-2.65m，平均厚度為2.05m，頂板和底板均為砂質(zhì)泥巖、泥巖，與下部煤層距離僅12m。本文以此為工程背景，重點(diǎn)分析3#煤層采場(chǎng)底板損傷程度。

1 上覆巖層未充分垮落圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

當(dāng)冒落矸石未充滿采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)上覆的巖層與下部采場(chǎng)未貼實(shí)，部分懸空，這樣未能完全垮落巖石的重量就會(huì)在工作面兩側(cè)煤柱或者煤體內(nèi)形成應(yīng)力集中。

（1）煤柱應(yīng)力。煤柱載荷的來源主要有兩方面，一方面來自于自身上覆巖層重量（圖1中的），另一方面來自于未充分垮落的懸露巖層所施加在煤柱上的重量，分為一側(cè)（圖1中的）或者兩側(cè)（圖1中的）。

則有：

①兩側(cè)采空煤柱載荷。采空區(qū)上覆巖層垮落高度為，煤柱兩側(cè)采空，其上總載荷為：

式中：—煤柱上的總載荷；—采深；—工作面寬度；—煤柱寬度；—上覆巖層垮落角；—上覆巖層平均容重。

由此可以得到煤柱載荷集度為：

②一側(cè)采空煤體載荷。采空區(qū)上覆巖層垮落高度為，煤柱一側(cè)采空，采空側(cè)支承壓力影響寬度為，其上總載荷為：

則一側(cè)采空煤體載荷集度為：

（2）采空區(qū)底板應(yīng)力。當(dāng)采空區(qū)上覆頂板沒有充分垮落時(shí)，底板承受載荷則為冒落矸石。因此采空區(qū)底板載荷集度為：

2 上覆巖層充分垮落圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

工作面推進(jìn)過后，上覆冒落矸石充填采空區(qū)，隨著老頂周期性的破斷活動(dòng)，遠(yuǎn)離工作面的后方采空區(qū)矸石被壓實(shí)，上方未冒落的巖層找到新的支撐面，此種采空區(qū)垮落方式為充分垮落。當(dāng)采空區(qū)頂板充分冒落時(shí)，采空區(qū)周圍圍巖載荷集度為：

（1）支承壓力集度。設(shè)定支承壓力峰值和煤壁之間的距離為，支承壓力作用邊界與煤壁之間的距離為，把煤壁到支承壓力峰值位置支承壓力看作呈現(xiàn)線性遞增規(guī)律，支承壓力峰值位置到支承壓力作用邊界呈現(xiàn)線性遞減規(guī)律。支承壓力大小為，在彈性區(qū)的區(qū)域內(nèi)逐漸由峰值減小到原巖應(yīng)力，與之對(duì)應(yīng)的是，在極限平衡區(qū)內(nèi)逐漸從零增大至峰值。由以上假定可以得到支承壓力集度為：

（2）底板載荷集度。當(dāng)工作面推進(jìn)一段距離之后，上覆巖層活動(dòng)由劇烈逐漸回歸到穩(wěn)定，采空區(qū)冒落矸石充填采空區(qū)，使得冒落巖層之上的巖層重新找到新的支撐點(diǎn)。則采空區(qū)底板載荷集度為：

式中：—煤厚；—采深；—上覆巖層平均容重。

3 近距離采空區(qū)下底板損傷狀態(tài)分析

頂板充分垮落時(shí)，采場(chǎng)圍巖支承壓力作用之下出現(xiàn)的底板屈服破壞深度用圖2來表示。根據(jù)滑移線場(chǎng)理論能夠計(jì)算出底板屈服破壞深度為：

設(shè)定：

則有：

由以上公式可以得到：

用極限平衡理論分析計(jì)算，可以得到煤壁塑性區(qū)寬度為：

由以上兩公式能夠得到上煤層開采后的底板巖層最大破壞深度，也就是用長(zhǎng)臂采煤法開采的采場(chǎng)底板損傷深度為：

式中：—采厚；—應(yīng)力集中系數(shù)；—上覆巖層的平均容重；—采深；—煤內(nèi)聚力；—煤內(nèi)摩擦角；—摩擦系數(shù)；—三軸應(yīng)力系數(shù)，；—支架對(duì)煤幫的支承力；—底板內(nèi)摩擦角。

友眾礦3#煤平均采深為400 m，上覆巖層重量γ為25 kN/m3，煤層平均厚度為0.96 m，煤層間的巖石多為砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖內(nèi)摩擦角取45°，考慮煤層的節(jié)理裂隙，煤層內(nèi)聚力取5MPa，內(nèi)摩擦角取20°，回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)為4，支架與煤幫的摩擦阻力為0，煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)取0.2，三軸應(yīng)力系數(shù)為2.04。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，代入上一公式中，可算得的友眾礦3#煤開采條件下，底板損傷深度為2.04m。

4 結(jié)語

本文針對(duì)煤層開采后底板應(yīng)力分布規(guī)律和損傷破壞規(guī)律進(jìn)行研究，分析了上覆巖層未充分垮落、充分垮落兩種情況下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，采用滑移線場(chǎng)理論分析了煤層開采后底板損傷狀態(tài)，計(jì)算出煤層采場(chǎng)底板損傷深度為2.04m。

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作者簡(jiǎn)介：王立明（1988-），男，山東濟(jì)南人，本科，中級(jí)工程師，技術(shù)科長(zhǎng)，從事采礦工程、地質(zhì)工程專業(yè)。