近距离煤层开采围岩破坏规律分析

王立明 岳龙坦

摘 要：本文以友众煤矿3#煤层赋存条件为工程背景，分析了近距离煤层开采时，上覆岩层未充分垮落、充分垮落两种情况下围岩应力分布规律，并采用滑移线场理论计算了底板损伤深度。

关键词：近距离；滑移线场；底板损伤深度

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

近距离煤层上部煤层回采后，因物理空间发生变化导致采空区围岩的应力平衡状态改变，伴随着围岩应力重新分布，上覆岩层产生移动、变形与破坏现象，并且从上往下发展，对下部煤层的开采产生显著影响。山西寿阳段王集团友众矿主采3#煤层，煤厚1.20-2.65m，平均厚度为2.05m，顶板和底板均为砂质泥岩、泥岩，与下部煤层距离仅12m。本文以此为工程背景，重点分析3#煤层采场底板损伤程度。

1 上覆岩层未充分垮落围岩应力场分布

当冒落矸石未充满采空区时，采空区上覆的岩层與下部采场未贴实，部分悬空，这样未能完全垮落岩石的重量就会在工作面两侧煤柱或者煤体内形成应力集中。

（1）煤柱应力。煤柱载荷的来源主要有两方面，一方面来自于自身上覆岩层重量（图1中的），另一方面来自于未充分垮落的悬露岩层所施加在煤柱上的重量，分为一侧（图1中的）或者两侧（图1中的）。

则有：

①两侧采空煤柱载荷。采空区上覆岩层垮落高度为，煤柱两侧采空，其上总载荷为：

式中：—煤柱上的总载荷；—采深；—工作面宽度；—煤柱宽度；—上覆岩层垮落角；—上覆岩层平均容重。

由此可以得到煤柱载荷集度为：

②一侧采空煤体载荷。采空区上覆岩层垮落高度为，煤柱一侧采空，采空侧支承压力影响宽度为，其上总载荷为：

则一侧采空煤体载荷集度为：

（2）采空区底板应力。当采空区上覆顶板没有充分垮落时，底板承受载荷则为冒落矸石。因此采空区底板载荷集度为：

2 上覆岩层充分垮落围岩应力场分布

工作面推进过后，上覆冒落矸石充填采空区，随着老顶周期性的破断活动，远离工作面的后方采空区矸石被压实，上方未冒落的岩层找到新的支撑面，此种采空区垮落方式为充分垮落。当采空区顶板充分冒落时，采空区周围围岩载荷集度为：

（1）支承压力集度。设定支承压力峰值和煤壁之间的距离为，支承压力作用边界与煤壁之间的距离为，把煤壁到支承压力峰值位置支承压力看作呈现线性递增规律，支承压力峰值位置到支承压力作用边界呈现线性递减规律。支承压力大小为，在弹性区的区域内逐渐由峰值减小到原岩应力，与之对应的是，在极限平衡区内逐渐从零增大至峰值。由以上假定可以得到支承压力集度为：

（2）底板载荷集度。当工作面推进一段距离之后，上覆岩层活动由剧烈逐渐回归到稳定，采空区冒落矸石充填采空区，使得冒落岩层之上的岩层重新找到新的支撑点。则采空区底板载荷集度为：

式中：—煤厚；—采深；—上覆岩层平均容重。

3 近距离采空区下底板损伤状态分析

顶板充分垮落时，采场围岩支承压力作用之下出现的底板屈服破坏深度用图2来表示。根据滑移线场理论能够计算出底板屈服破坏深度为：

设定：

则有：

由以上公式可以得到：

用极限平衡理论分析计算，可以得到煤壁塑性区宽度为：

由以上两公式能够得到上煤层开采后的底板岩层最大破坏深度，也就是用长臂采煤法开采的采场底板损伤深度为：

式中：—采厚；—应力集中系数；—上覆岩层的平均容重；—采深；—煤内聚力；—煤内摩擦角；—摩擦系数；—三轴应力系数，；—支架对煤帮的支承力；—底板内摩擦角。

友众矿3#煤平均采深为400 m，上覆岩层重量γ为25 kN/m3，煤层平均厚度为0.96 m，煤层间的岩石多为砂质泥岩，砂质泥岩内摩擦角取45°，考虑煤层的节理裂隙，煤层内聚力取5MPa，内摩擦角取20°，回采引起的应力集中系数为4，支架与煤帮的摩擦阻力为0，煤层与顶底板接触面的摩擦系数取0.2，三轴应力系数为2.04。

根据以上数据，代入上一公式中，可算得的友众矿3#煤开采条件下，底板损伤深度为2.04m。

4 结语

本文针对煤层开采后底板应力分布规律和损伤破坏规律进行研究，分析了上覆岩层未充分垮落、充分垮落两种情况下围岩应力分布规律，采用滑移线场理论分析了煤层开采后底板损伤状态，计算出煤层采场底板损伤深度为2.04m。

参考文献：

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[3]吕志强，刘建军等.近距离煤层群开采下巷道稳定性研究[J].煤炭科技，2009（01）：11-14.

[3]吴基文.工作面推进方向对含断层底板采动效应的影响[J].煤炭科学技术，2009，37（09）：119-121.

作者简介：王立明（1988-），男，山东济南人，本科，中级工程师，技术科长，从事采矿工程、地质工程专业。