成庄煤矿采场应力场分析

石佳明，王成，郑颖人

(1重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2后勤工程学院军事建筑工程系，重庆400041)

0 前言

煤层开采前煤层和上覆岩体在原岩应力场的作用下处于稳定状态，由于煤层的开采，原始的稳定状态被打破，岩体应力场进行重新分布，以达到新的平衡[1-4]。目前，国内外专家在煤矿采场应力分布方面进行了大量的研究工作。孟瑞祥等以孙瞳煤矿1028工作面为背景采用理论计算及数值模拟的方法分析了底板应力分布规律及破坏机理[5]。封云聪等把不同的上覆岩层进行混合，取混合后的岩石物理参数运用I-DEAS程序包进行了采空区应力场的分析[6]。张学斌等通过对煤柱内集中应力的分布状况及其在底板岩层中的传递规律进行理论计算，得到了不同宽度的煤柱下方底板应力传递及分布规律[7]。唐孟雄等利用弹性理论推导了煤层底板任意点的应力计算公式[8]。高召宁等采用相似材料模拟试验方法，重点研究了煤层底板的应力和变形随工作面开采的变化规律，得出煤层底板应力与变形具有采动差异效应和这种采动差异效应是底板岩层破坏裂隙产生拉剪复合破坏的力学机制的结论[9]。

本文以成庄煤矿某矿井的煤层地质条件为依托，根据成庄煤矿某工作面的实际情况，通过对岩块的参数进行折减来模拟岩体，运用ANSYS软件对不同开采宽度的采场进行了分析，得到了不同开采宽度下的采场应力分布情况，为该煤矿的开采工作和以后的类似项目提供参考。

1 工程概况

成庄煤矿位于沁水煤田南翼，晋城市西北20km处，本文选取其中一个矿井进行建模计算。该矿井上覆岩层97.5m，主要以细粒砂岩和中粒砂岩为主，主要岩层的物理力学参数见表1[10]：

表1 各岩层物理力学参数

2 传统采场应力分布

文献[10]中引用的应力场分布认为，煤层开采结束后，采空区的两侧壁由于煤层开采，要承受已开采煤层上部的岩体重量在采空区侧壁煤层出现应力增高区。

在采空区，采空区侧壁附近的顶板和底板受到垂直方向的拉应力，采空区中部的顶板和底板受到垂直方向的压应力，而在未开采区的顶板和底板都表现为压应力，如图1[10]所示：

图1 传统采场应力分布图

3 模型的建立

图2 模型尺寸示意图

采用二维有限元模拟煤层的开采，煤层开挖高度5m，宽度分别取5m、10m、20m、30m、40m。上覆岩层97.5m，上下左右边界范围为150m×150m（图2），模型的侧面施加法向约束，顶面为自由边界，岩体具体物理力学参数见表1。岩层主要为水平层状岩，岩层倾角2~5°，建模过程中只考虑上覆岩层的重力作用。

4 计算结果分析

4.1 巷道顶板应力分布情况

通过有限元计算得到不同开挖宽度下的顶板应力分布情况如图3(本文所有计算结果都以拉为正以压为负)：

图3 不同开挖宽度时的顶板水平应力分布图

图4 不同开挖宽度时的顶板竖向应力分布图

从图3（不同开挖宽度时顶板水平应力图）可以看出，煤层开挖后由于原始的应力平衡状态被打破，工作面周围的岩体进行应力重分布。顶板水平方向压应力在采空区侧壁外侧25m范围内受煤层开采的影响，顶板水平应力较原岩应力有所增大，并且随着与采空区侧壁距离的减小，最大应力值逐渐增大，在采空区侧壁处达到最大。由于采空区的卸荷作用，顶板水平应力在采空区侧壁内侧10m范围内迅速释放，并最终在采空区中部顶板保持一定水平的拉应力。最大水平拉应力从开挖宽度为5m时的0.22MPa增大到开挖宽度为40m时的1.12MPa。

从图4（不同开挖宽度时的顶板竖向应力图）可以看出顶板竖直方向的应力在采空区侧壁附近小部分区域表现为压应力、在采空区中部大部分区域表现为拉应力，这一点与传统的采场应力场分布情况不同 （传统应力场认为采空区侧壁内侧小部分区域出现竖直方向的拉应力，采空区顶板中部为压应力）。

顶板竖直方向最大压应力值随着开挖宽度的增大逐渐增大。开挖宽度为5m时顶板竖向最大压应力值为4.04MPa，开挖宽度为40m时顶板最大竖向压应力值为6.64MPa（煤层的抗压强度为5MPa，此时两侧壁的煤层已被压坏）。

4.2 巷道底板应力分布情况

煤层开采后,底板岩体的原岩应力场受到煤层开采的影响,采空区及其附近的底板应力场发生改变，底板所受的应力重新分布。有限元计算后不同开采宽度的底板应力分布情况如下图所示：

图5 不同开挖宽度时的底板水平应力分布图

图6 不同开挖宽度时的底板竖向应力分布图

从图5可以看出煤层开采后，采空区侧壁附近会出现应力集中。顶板水平压应力从采空区侧壁外侧20m左右开始增大，当到达采空区侧壁外5m左右时压应力开始急剧增大，并最终在采空区侧壁保持最大压应力。由于煤层开采的卸荷作用，水平压应力在采空区迅速释放，最终采空区底板保持一定的水平方向的拉应力。采场煤层水平方向的最大压应力值随着开挖宽度的增大逐渐增大。开挖宽度为40m时最大水平压应力为5.02MPa，开挖宽度为5m时最大水平压应力为1.97 MPa。

采空区底板水平方向的最大拉应力值也随着开挖宽度的增大逐渐增大，开挖宽度为5m时采空区底板最大拉应力值为0.2MPa，随着开挖宽度的增大，当开挖宽度增大到40m时，采空区底板最大拉应力值达到1.02MPa。

图6显示底板竖向应力在采空区侧壁附近也存在应力集中现象，并且整个底板在竖直方向全部为压应力。这一点是与传统应力场的应力分布不同的 （传统应力场认为在采空区侧壁内侧小部分区域出现拉应力，采空区中部为压应力）。

底板竖向应力从采空区侧壁外侧20m左右的距离开始增大，在采空区侧壁处达到最大值。最大竖向压应力值随着开挖宽度的增大逐渐增大。开挖宽度为5m时最大竖向压应力为3.34MPa，随着开挖宽度的增大，当开挖宽度为40m时最大竖向压应力值为6.34MPa。

4.3 采场周围剪应力分布情况

煤层开采以后由于原来的应力平衡状态被打破，采场周围的应力场发生变化。未开采区底板岩体由于应力集中，保持受压状态，采空区下方岩体由于煤层开采后的卸荷作用，处于膨胀状态，因此采空区四个边角处形成四个应力值较高的剪应力区 （图7）。

此高剪应力区呈“泡形”分布，最大剪应力值随开挖宽度的增大从开挖宽度为5m时的1.23MPa增大到开挖宽度为40m时的2.94MPa。如图8所示：

图7 煤层开采后的剪应力分布图

图8 不同开挖宽度时的最大剪应力图

5 结论

从上述对于采场的计算结果我们可以得出以下结论：

（1）由于受煤层开采的影响，采场顶底板在采场侧壁外侧20m范围内都会出现应力增高区，工作面处会出现应力集中。最大应力随着开采宽度的增大逐渐增大。

(2)煤层在开挖后会在采空区顶板出现水平方向的拉应力，拉应力最大值随着开挖宽度的增大逐渐增大。

（3）煤层开采后由于卸荷作用会出现应力释放的现象，采空区底板会出现水平方向的拉应力，最大水平拉应力值随着开挖宽度的增大逐渐增大。

（4）在采空区四个边角位置会出现四个应力值较高的剪应力集中区，且每个应力集中区都呈“泡形”分布。采空区下侧为拉剪应力区，上侧为压剪应力区。底板围岩在四个应力集中区破坏最为严重，最大剪应力值随着开挖宽度的增大逐渐增大。

（5）本文计算结果中的采空区顶板、底板在竖直方向上的应力分布与传统的采空区应力场不同。本文计算结果显示，采空区顶板侧壁附近小部分区域出现竖直方向的压应力，采空区顶板中部为竖直方向的拉应力；底板在竖直方向上不会出现拉应力。而文献[10]中引用的力场认为采空区的顶板、底板在侧壁附近小部分区域出现竖直方向上的拉应力，顶板和底板的中部为竖直方向的压应力。

针对上述计算结果可以得出：采场在正常受力情况下不会出现文献[10]所示的应力场，文献[10]中所示的应力场可能是两侧煤层破坏后的应力分布情况。通过对计算结果的总结得出新的采场应力场分布情况如图9所示：

图9 改进后的采场应力图

[1]钱鸣高，石平伍.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]宋宏伟，刘刚.井巷工程[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]李凤仪，韩丛发，张国华.岩体开挖与维护[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[5]孟祥瑞，徐铖辉，高召宁.等采场底板应力分布及破坏机理[J].煤炭学报，2010，35(11)，1832-1836.

[6]封云聪，刘文永，谢源.等采空区应力分布的有限元计算[J].矿冶，1996，5(1)：20-23.

[7]张学斌，李林，刘德利.浅析近距离煤层采动后底板应力分布规律[J].山东煤炭科技，2011(1)：109-110.

[8]唐孟雄,采面底板应力计算及应用[J].湘潭矿业学院学报，1990，5(2)：119-124.

[9]高召宁，孟祥瑞.采动条件下煤层底板变形破坏特征研究[J].矿业安全与环保，2010，37(3)：17-24.

[10]孙海涛.采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究[D].重庆：重庆大学，2008.