卸压区工作面煤柱下应力场分布规律理论分析

马兴勇 李志刚 喻万凯 黄师梦 郎维玉 覃小军

摘要：近距离煤层在我国分布广泛，近距离煤层开采的矿山压力显现特征、顶板控制、安全技术保障等与普通单一煤层开采相比均具有特殊性，现有的煤层开采理论和技术不完全适用极近距离煤层开采。通过对某典型煤矿25301工作面地质条件对3+4号煤层煤柱下底板应力分布规律进行研究，并对工作面上覆岩层运动规律进行理论研究，得出以下结论：对煤柱下应力分布规律进行研究，理论分析得到5号煤层处，距煤柱边缘水平距离2.4m以外为卸压区，25301工作面胶带巷布置在采空区方向内错4m处，轨道巷布置在采空区方向内错7.5m处，因此整个25301工作面处于卸压区范围内。

关键词：卸压区;回采工作面;煤柱;应力场分布

0引言

煤炭是我国的主要能源，煤炭工业在我国国民经济中占有举足轻重的地位，在我国的一次性能源结构中煤炭所占的比重一直在67%以上，始终处于主体地位。我国煤炭资源总量丰富，预测储量达5570Gt，已探明煤炭储量达114.5Gt。据预测，2020年全国煤炭需求量约占一次性能源消费的60%。但由于煤炭是不可再生资源，因此，在我国合理开发利用煤炭资源，减少事故的发生，对于维护社会稳定和促进国民经济持续发展有着特殊重要的意义[1～2]。由于成煤条件的不同，煤层的赋存条件各异。煤层厚度从零点几米到上百米，可采层数从一层到数十层，层间距离大小不等，有时还出现两层煤局部合并或分岔现象，煤层顶底板岩性及倾角更是千变万化[3]。煤层赋存条件的复杂性和多变性，直接影响着煤炭企业的经济效益。如何在不同开采环境下，采取相应的技术措施，提高煤炭资源回收率，延长矿井寿命，实现安全、高效生产是煤炭企业一直关心的重要问题。

近距离煤层在我国分布广泛，近距离煤层开采的矿山压力显现特征、顶板控制、安全技术保障等与普通单一煤层开采相比均具有特殊性，现有的煤层开采理论和技术不完全适用极近距离煤层开采。目前，国外关于极近距离煤层开采系统研究成果还未曾报道，国内主要是极近距离煤层开采实践和经验的定性总结。有关支护的力学原理、支护原则及支护对策等一系列理论方面的问题尚没有系统的認识，生产中采场围岩稳定性控制方式往往盲目性较大，工作面回采困难，采掘接替紧张，煤炭损失严重。因此，深入、系统地研究极近距离煤层开采的围岩结构及其矿压显现规律，确定矿压的防治措施，探索出一种适用于极近距离煤层开采的围岩控制理论和技术，对于极近距离煤层开采的安全生产具有重要意义。

1工程概况

25301工作面位于某典型煤矿北三采区，沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。东面为山西鑫飞贺昌煤业有限公司的矿界，南面已回采完的25102工作面，西面为北翼大巷，北面为已回采完的24302工作面下方的实体煤。25301工作面走向长1153.3m，工作面底板标高430m～570m，地面标高840m～966m，布置在已采完的24301工作面下方。

25301工作面切眼长度186.8m，布置在24301工作面采空区内错5m，其胶带巷布置在24301工作面胶带巷内错4m处，轨道巷位于24301轨道巷内错7.5m处，两煤层间距为5.5m，工作面布置剖面图如图1所示。

25301工作面总体呈单斜构造，根据巷道掘进资料，预计该工作面回采时将遇到6条断层，1个陷落柱。该煤矿25301工作面所采煤层为5号煤层，煤层整体倾向西，平均倾角5°，煤层为黑色，为半光亮型煤，玻璃光泽。煤层厚度变化范围为3.2～4.2m，平均煤层厚度为3.85m，煤层赋存稳定。根据25301工作面钻孔综合柱状图岩层分布情况，工作面顶板为2.6m厚的泥岩，黑色，中厚层状，平坦断口，半坚硬，其上方为岩性较强的粉砂岩和中砂岩，厚度分别为1.7m和1.2m;直接底为泥岩厚度1.0m，黑灰色，中厚层状，可见大量植物根茎化石;老底为中砂岩，厚度3.2m，褐灰色，厚层状，坚硬。25301工作面钻孔综合柱状图如图2所示。

25301工作面水文地质条件中等，该工作面带压掘进，5号煤层底板标高+430～+570m，奥灰水静水位标高+800m，最大带压3.7MPa，奥灰水突水系数为0.013～0.033，属相对安全区。太灰水静水位标高+780m，最大带压3.5MPa，根据相邻工作面揭露情况，本区域内太灰岩厚度不大，岩溶发育不均匀，出露范围小，富水性较弱。该工作面上覆4号煤采空区积水绝大部分已自动流出，对工作面影响不大。东面相邻工作面为山西鑫飞贺昌煤业有限公司的4号煤11418采空区，25102工作面已对该采空区进行了放水，11418工作面低洼处可能存在少量积水。

2 煤柱下应力场分布规律理论分析

若要研究煤柱下底板应力场分布特征，首先要对3+4号煤层24301工作面所留设区段煤柱所承受的载荷进行计算。24301工作面及24302工作面回采后，上覆岩层的重量作用在采空区垮落岩层及煤柱上。根据A.H.威尔逊的研究成果，煤柱承受载荷计算如图3所示。煤柱处垂直应力与距煤柱边缘水平距离成正比，当距煤柱边缘0.3H时，该垂直应力大约恢复至原岩应力γH。

由图3所示，根据三角形相似原理得到，因此煤柱所承受的载荷为：

24301工作面煤柱宽度为45m，24301采空区宽度b为198.3m。带入上式（1）得到煤柱所承受的载荷3.93。根据弹性理论，将4号煤层底板的煤岩体视为均匀的弹性体，煤柱下任一点，其应力极坐标可表示为：

集中载荷作用如图4所示：

将煤柱作用在底板的载荷视为均布载荷，对底板岩层的作用如图5所示。

通过叠加原理对煤柱均布载荷作用下的底板应力的进行叠加，得到底板岩体应力计算公式为：

式中，q为煤柱作用于底板的均布载荷。

煤柱对5号煤的影响主要是垂直应力作用的影响，因此，只将作为研究对象。24301工作面煤柱宽度L为45m，距离25301工作面垂直距离y取5.5m，代入式（2）得到：

式中，为煤柱作用在5号煤的垂直应力，为到煤柱中心的距离。于是得到与距煤柱中心水平距离的线性关系如图6所示。

q为煤柱作用于底板岩体上的均布载荷，由于煤柱所承受的垂直应力向底板传递，将24301工作面区段煤柱自身重力忽略不计，因此q近似等于煤柱所承受的载荷3.93，其中为上覆岩层平均容重，H为开采煤层深度，当为时，求出的对应的值即为5号煤层处垂直应力为原岩应力的地方，令=，计算得到=24.9m，因此，距煤柱中心24.9m，即距离煤柱边缘2.4m的煤层处于原岩应力区域，2.4m以外为卸压区。当q=3.93，转化为垂直应力与距煤柱中心距离关系如图3-8所示。

如图7所示，受到3+4号煤层煤柱的影响，5号煤层处应力分布呈抛物线状，在煤柱中心正下方的5号煤所受的应力最为集中，在煤柱中心到距煤柱中心20m的范围内，5号煤所受应力变化不大，该范围内，应力集中显著;在距离煤柱中心20m以外，5号煤所受集中应力迅速降低，直到低于原岩应力。通过计算得到25301工作面在距煤柱中心24.9m处，即距离煤柱边缘水平距离2.4m的岩体处于原岩应力区，以外区域所受应力低于原岩应力γH。

6结论

通过对该煤矿25301工作面地质条件对3+4号煤层煤柱下底板应力分布规律进行研究，并对工作面上覆岩层运动规律进行理论研究，得出以下结论：对煤柱下应力分布规律进行研究，理论分析得到5号煤层处，距煤柱边缘水平距离2.4m以外为卸压区，25301工作面胶带巷布置在采空区方向内错4m处，轨道巷布置在采空区方向内错7.5m处，因此整个25301工作面处于卸压区范围内。

参考文献：

[1]张金才，张玉卓，刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京：地质出版社，1997.

[2]张金才，刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报，1990，15（2）：46-55.

作者简介：

马兴勇（1999.06-），男，彝族，贵州省六盘水钟山区人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977023）