上覆煤柱影響下工作面應力場分布變化規律

褚福延，吳愛軍，南 瑋

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

我國近距離煤層的開采方式中，下行開采因投入生產快、初期投資少、有利于巷道維護、煤層穩定等優點，而得到廣泛應用[1]。由于煤層的形成受到地質條件和自然環境的影響，煤層的構造十分復雜，因此開采過程中不可避免的遺留下不可開采的上覆煤柱。上覆煤柱上方巖層荷載及煤柱周圍采空區上方處于懸空狀態的巖層部分荷載轉移到煤柱上，使得煤柱處于應力集中狀態，并且向下方巖層傳遞造成下層工作面處于應力集中狀態[2-4]，其傳遞規律與煤柱尺寸、煤層間距、工作面位置等開采有關[5-8]。下位煤層受到臨近上位煤層上覆煤柱的應力集中作用影響，煤柱下方工作面形成高壓應力區。由于高壓應力區的存在，所以開采下位煤層時易發生沖擊地壓、冒頂、回采巷道支護困難、煤壁片幫和上部采空區瓦斯流入下部煤層引發瓦斯爆炸等煤礦災害。因此，在有上覆煤柱作用下，下位煤層開采時要做好防沖預警和相應的預防措施，以防止沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害[9-13]。

1 工程概況

1.1 地質概況

兗州集團鮑店煤礦六采區位于井田西南部，史家營、北風井南側，韓家堂村東，平陽寺村北約200 m處，前、中、后鮑店村東約200 m以西。六采區由原三采區、六采區合并而成，區內地勢平緩，煤層傾角較小，基本在7°左右。采區內含有2號煤層、3號煤層、6號煤層，其中，2號煤層雖然結構簡單但是由于厚度較小且不穩定(0～1.5 m)，所以只有部分區域可采；6號煤層因厚度不穩定，為不可采煤層；3號煤層埋深318～378 m，儲煤厚度為8.35～9.90 m，結構上相對于其他煤層更簡單，為主要可采煤層，硬度f=3.1～3.9。因為2號煤層和3號煤層之間高度差僅為19.9 m，屬于近距離煤層，所以開采過程中采取下行式開采方式。由于上位煤層(2號煤層)只有局部可采，因此必然會留下不可開采的煤柱，造成煤巖體應力高度集中，并且該集中應力會傳遞至底板深處，輕者可能造成下位煤層工作面頂板破碎，回采時巷道支護困難，嚴重時則有可能導致沖擊地壓危險。

1.2 研究內容

在煤柱的設計過程中，根據煤柱屈服區的寬度計算公式推導出煤柱極限應力計算公式[14]，見式(1)。

(1)

f=tanφ

(2)

式中：σzl為煤柱極限應力；C為煤層頂底板接觸面的黏聚力，MPa；φ為煤層與頂底板接觸面的摩擦角；PX為煤壁的側向約束力，MPa；α為屈服區與核區界面處的側壓系數；rp為煤柱塑性區寬度，m；M為煤柱厚度，m；開采擾動因子d=1.5～3.0。

從式(1)和式(2)可以得到煤柱厚度影響煤柱極限應力。因為當煤柱寬高比達到8時，煤柱的極限應力不再增加[14]。為方便計算，本文中取煤柱寬度為30 m。

不同尺寸上覆煤柱導致下位煤層開采過程中支承應力場的分布特征不同。由于2號煤層厚度的不穩定性，導致煤柱厚度不同，了解不同厚度煤柱對下位煤層支承應力場的影響，有利于提高下位煤層開采過程中的安全性。因此，本文運用FLAC3D軟件對不同厚度煤柱下，對下位煤層開采前后及過程中支承應力場的影響規律進行研究，其成果可為上覆煤柱作用下近距離煤層群的開采提供一定的理論依據。

2 建模過程

運用FLAC3D軟件，建立了長×寬×高=400 m×250 m×74 m的三維數值計算模型，整個模型共190 000個單元格。建模順序和賦予的力學性質見表1。整個模型除模型上表面其余表面全部固定，模擬埋深400 m，模型頂部施加8.00 MPa的垂直壓力，x軸方向、y軸方向初始應力分別為7.91 MPa、7.00 MPa，采用摩爾-庫倫強度準則進行計算。三維數值計算模型的工作面分布情況如圖1所示，開采順序如下所述。

表1 煤巖物理力學參數Table 1 Physics and mechanics parameters of coal petrography

圖1 工作面分布位置Fig.1 Position of working face

1) 先形成工作面①，即開挖2號煤層x軸70～185 m和y軸65～185 m處。

2) 隨后形成工作面②及上覆煤柱，即開挖2號煤層x軸215～330 m和y軸65～185 m處。

3) 最后再開采3號煤層，即y軸方向開采范圍為65～185 m，x軸從x=100 m處開采，每次開采20 m，共開采200 m，形成工作面③。

3 模擬分析

3.1 厚2 m煤柱時的下煤頂板支承應力場分布特征

3.1.1 未開采時下煤頂板支承應力場分布特征

下位煤層未開采時支承應力場分布情況如圖2(a)所示，煤層群受到開采擾動影響后，煤巖應力重新分布。 圖2中下位煤層頂板處197.98～203.96 m為應力集中區域，且應力場中心位于煤柱中心線右側。從圖2(b)可以看出，下位煤層未開采時，在上覆煤柱作用下，支承應力場峰值點位于煤柱中心線正下方，支承應力場峰值為19.22 MPa，支承應力集中系數為2.05(下位煤層原巖應力為9.37 MPa)，這說明上覆煤柱作用下會使下位煤層未開采前就處于應力集中狀態。

圖2 下位煤層頂板應力分布情況Fig.2 Stress distribution of roof in lower coal seam

3.1.2 開采過程中下煤頂板支承應力場分布特征

如圖3所示，當下煤層工作面推進60 m(左側采空區下方)時，應力主要集中在采區前方39.94～44.22 m處；推進100 m(煤柱正下方)時，由于工作面處于煤柱正下方，下位煤層受到應力疊加使得處于開采位置前方6.72～10.26 m處的應力集中非常顯著；推進140 m(右側采空區下方)時，其應力集中區域出現在采區前方5.34～6.49 m，應力集中較為顯著。可見隨著距離的增加，工作面前方支承應力集中區域與采區的距離逐漸減小。

圖3 推進到不同位置時頂板應力分布圖Fig.3 Roof stress diagram under different advancing distances

由圖4可知，當工作面推進60 m時，采區前方區域的支承應力場變化趨勢較為平緩，峰值為19.23 MPa，應力集中系數為2.05；推進100 m時(位于煤柱中心線正下方)，峰值為37.59 MPa，應力集中系數為4.01；推進140 m時，其峰值為28.63 MPa，集中系數為3.06，較開采100 m時略有下降。可見，由于煤柱起到的應力疊加作用，支承應力場峰值和支承應力集中系數在煤柱正下方時最大，因此工作面推進至煤柱正下方時，開采過程中易發生沖擊地壓、頂板破碎等危險，圍巖支護困難。

圖4 超前支承應力沿走向變化曲線Fig.4 Change curve of advance abumentstress along strike

3.2 不同厚度煤柱的下位煤層未采前頂板支承應力場分布特征

在巖層尚未受到開采擾動前，2號煤層不同厚度(1 m、3 m和5 m)情況下，原巖應力分別為9.35 MPa、9.38 MPa、9.40 MPa。

由圖5可知，不同上覆煤柱厚度對未開采的下位3號煤層支承應力場分布有明顯影響，具體見表2。在下位煤層未開采前，煤層厚度的增加，應力集中區域會向前移動，應力集中區域范圍減小。應力集中區域范圍減小是由于煤柱厚度增加，屈服區寬度增大，下位煤層最大主應力減小(圖6)從而應力集中區域范圍減小。

表2 頂板應力集中區域范圍Table 2 Range of the stress concentrationarea of the roof

圖5 下位煤層頂板應力分布圖Fig.5 Stress distribution of roof in lower coal seam

圖6 最大主應力云圖Fig.6 Distribution of max principal stress

由圖7可知，在下位煤層未開采時，頂板支承應力場關于煤柱中心線基本呈對稱分布，厚度在1 m、3 m、5 m時支承應力場峰值分別為19.32 MPa、19.21 MPa、19.12 MPa，支承應力集中系數分別為2.07、2.05、2.03。可見隨著煤柱厚度增加，下位煤層支承應力場峰值和支承應力集中系數減小。

圖7 支承應力場應力變化曲線Fig.7 Change curve of abutment stress

3.3 不同厚度上覆煤柱下的下位煤頂板支承應力開采過程中的變化特征

由圖8和圖9(a)可知，在厚度為1 m的上覆煤柱作用下，當工作面推進60 m時，采區前方39.98～45.15 m處為應力集中區域；推進100 m時，采區前方6.64～10.31 m處為應力集中區域；推進140 m時，應力集中區域為采區前方5.22～6.61 m。 工作面推進60 m、100 m、140 m時，支承應力峰值分別為19.35 MPa、37.70 MPa、28.78 MPa，支承應力集中系數分別為2.07、4.03、3.07。

圖8 1 m厚煤柱推進至不同位置時應力分布圖Fig.8 Stress distribution of 1 m thick coal pillar is mined to different positions

由圖9(b)可知，在厚度為3 m的上覆煤柱作用下， 當工作面推進60 m時， 采區前方40.24～44.04 m處為應力集中區；推進100 m時，采區前方6.82～10.11 m處為支承應力場集中區；推進140 m時，應力集中區域出現于采區前方5.45～6.37 m。 工作面推進60 m、100 m、140 m時，支承應力峰值分別為19.23 MPa、37.50 MPa、28.52 MPa，支承應力場集中系數分別為2.05、4.00、3.04。

由圖9(c)可知，在厚度為5 m上覆煤柱作用下，當工作面推進60 m時，采區前方41.45～42.29 m處為應力集中區域； 推進100 m時， 采區前方6.99～9.84 m處為應力集中區域； 推進140 m時，應力集中區域出現于采區前方5.68～6.20 m。工作面推進60 m、100 m、140 m時，支承應力場峰值分別為19.12 MPa、37.28 MPa、28.25 MPa，支承應力場集中系數分別為2.03、3.97、3.01。

圖9 不同厚度煤柱超前支承應力沿走向變化曲線Fig.9 Change curve of advance abument stress of different thickness pillar along strike

綜上所述，當工作面推進60 m、100 m、140 m時，煤柱厚度由1 m增加至5 m，工作面前方支承應力峰值分別減小0.22 MPa、0.42 MPa、0.53 MPa，應力集中系數分別減小0.04、0.06、0.06。可見，隨著工作面推進距離的增加，煤柱厚度變化對工作面前方支承應力峰值的影響增大。整體而言，在下位煤層的開采過程中煤柱厚度越小，工作面前方頂板支承應力峰值、應力集中系數和集中區域范圍越大，應力集中區域與工作面的距離越小，越應注意防止頂板破碎和沖擊地壓等頂板事故的發生。

4 結 論

1) 上覆煤柱會使下位煤層在未開采前就處于應力集中狀態，且隨著工作面的推進，工作面前方頂板應力集中區域前移，應力集中范圍逐漸縮小，支承應力場峰值與應力集中系數先增大后減小。

2) 在下位煤層未開采前，支承應力峰值出現在煤柱中心線附近，煤柱厚度增大，下位煤層頂板支承應力峰值、應力集中系數和應力集中區域范圍減小。

3) 開采下位煤層過程中，煤柱厚度越小，工作面前方頂板支承應力峰值、集中系數和集中范圍越大，應力集中區域與工作面的距離越小，開采過程中越應注意預防頂板破碎和沖擊地壓等頂板事故的發生。