极近距离上部煤层稳定煤柱载荷在底板中的应力传递规律研究

刘 文

0 引言

煤层开采将导致回采空间周围岩层应力重分布，回采空间周围煤柱也会产生应力集中现象，并且该应力会传递至底板深部[1-2]。故分析煤柱在底板岩层内的应力分布规律具有重要意义，尤其是对下部煤层巷道的合理位置及有关参数的确定，更好地分析下部邻近煤层巷道的受力情况和矿压现象等具有一定的指导意义[3-6]。本文以同煤集团云冈矿极近距离煤层为主要研究对象，拟采用理论分析和数值模拟相结合的方法对其进行这方面的研究。

1 工程概况

云冈矿81109 工作面开采煤层为11-2＃ 煤，属于侏罗系中统大同组。其煤层赋存稳定，结构简单，只在局部发育一层夹矸（夹矸单层最大厚度0.08 m～0.1 m），总体为单斜构造，其直接顶较薄，煤层厚度在0.6 m～2.92 m 之间、平均2.2 m，煤层倾角为2°～6°、平均倾角为4°。

2 应力分布的理论分析

对于塑性煤柱来说，底板岩层应力分布范围受煤柱尺寸和煤层及顶底板岩性的直接影响，煤柱稳定性大幅度降低，承载能力随之发生改变，底板煤体传递应力的集中程度也降低。尤其是煤柱宽度大于塑性煤柱最小宽度时，煤柱中部有弹性核的存在，底板煤岩体传递应力的集中程度相应提高，煤柱下部底板煤体内将形成一个影响较大的应力增高区范围。将煤体假定为均质的弹性体，运用弹性理论求解集中载荷在无限平面体内任意点（θ，r）的应力，用极坐标形式表示如下：

运用叠加原理将载荷延伸到自由边界条件下受均布载荷作用（见第30 页图1），即均布载荷条件下底板岩体内的应力计算公式如下：

式中：q ——作用于底板岩体上的均布载荷，kN。

由以上理论推导可知，煤柱底板岩体内压力由其上支撑压力传递，其应力传递规律如下：

图1 底板受均布载荷作用的计算

（1）在底板不同深度各水平面上σz在载荷中心点下部轴线处达到最大，当深度增加时σz反而减小，其影响范围可达6.25L（L 为载荷作用宽度）。而σy的影响范围相对较小，约占1.5L。τxy的影响范围也较小，略大于σy的影响范围，约占2L，且在载荷作用的边缘出现最大剪应力。

（2）各水平方向上应力不受深度的影响，即深度不同应力也不同，同一深度上各点的应力也不相同。集中载荷作用线上应力达到最大，应力沿两侧漫延并逐渐降低。

（3）应力分布范围随距载荷作用点距离增大而增大。在同一垂直线上应力和深度密切相关，大于一定深度时应力随深度递增而急速降低。

3 上部煤层煤柱底板岩层应力分布数值模拟分析

3.1 物理力学参数的确定

试验样本取自云冈矿11-2#煤层311 盘区91109综采工作面的皮带巷。其中顶底板各岩层岩样采用钻孔取芯的方法选取；11-2#煤层采用掏翘法从工作面直接选取。钻孔取芯位于2# 钻孔距工作面430 m处。实验室加工试件测定出岩芯所对应的11-2# 煤层及顶底板各岩层的物理力学参数见表1。

表1 云冈矿11-2#煤层及顶底板物理力学参数

3.2 数值分析

以云冈矿11-2# 煤层开采条件为模拟原型，建立数值分析模型。数值模拟煤柱宽度l 分别为15 m、20 m 和30 m。不同煤柱宽度条件下对底板煤岩体的垂直应力分布见第31 页图2。

由图2 可以看出，随煤柱宽度增加传递影响角减小。当煤柱宽度大于30 m 时，煤柱的应力呈马鞍形分布，煤柱中部的应力叠加较两侧低。按照图2 及理论分析，可以分别得出不同煤柱宽度条件下对底板煤岩体应力传递影响角δ（见第31 页表2），不同煤柱宽度对底板煤岩体应力传递影响角变化曲线见第31页图3。

回归曲线方程：

4 结论

图2 不同煤柱宽度对底板煤岩体的垂直应力分布等值线

表2 不同煤柱宽度对底板煤岩体应力传递影响角δ

图3 不同煤柱宽度对底板煤岩体应力传递影响角变化曲线

本文运用理论分析和数值模拟相结合的技术手段，研究云冈矿极近距离煤层群下行开采11-2# 煤层上部煤层煤柱底板岩层应力分布规律，并绘制出不同煤柱宽度对底板煤岩体应力传递影响角变化曲线，对下部煤层巷道的合理位置及有关参数的确定，更好地分析下部邻近煤层巷道的受力情况和矿压现象等具有一定的指导意义，为云冈矿极近距离煤层群安全高效开采提供了参考依据，对类似极近距离煤层开采分析提供了新的研究思路。

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