山体下部岩层原岩应力场分布规律研究

吴亚军

(山西西山晋兴能源公司 斜沟煤矿，山西 兴县 033602)

原岩应力场是指天然存在于原岩内部且与人类活动无关的应力场，包括自重应力、构造应力、膨胀应力、地热应力等，其中自重应力以及构造应力为组成原岩应力场的主要部分。构造应力在构造形成后的数百万年内已经得到充分释放，因此，研究中认为构造应力为0。原岩应力场是研究开采空间附近应力重新分布情况的基础，因此研究山体赋存岩体的原岩应力状态，可以为分析煤层开采过程中采场周围应力的变化，优化工作面的支护参数提供理论依据。

1 山体赋存煤层群原岩应力场特征的理论分析

在山体赋存煤层群条件下，可以假定原岩为均匀的连续介质，因此，可以应用连续介质力学原理对原岩的自重应力进行计算:

式中:

γ—上覆岩层的体积力，kN/m3;

H—单元体的埋藏深度，m;

λ—侧压系数。

此处假设原岩是各向同性弹性体，依照广义胡克定律，可以得到单元体各个方向上的应变:

由于εx=0，εy=0，σx=σy，则σx、σy之间的关系为:

一般情况下，岩石的泊松比μ 为0.2 ～0.3，侧压系数λ 为0.25 ～0.43。

假如原岩是由多层体积力不相同的岩层构成，各个岩层的体积力和厚度依次为γ1，γ2…γi…γn;h1，h2…hi…hn。则原岩的初始自重应力为:

由上式可得，原岩的自重应力随深度的增加呈线性增长。当深度在一定范围内时，原岩处于弹性状态;当埋藏深度超过一定范围后，自重应力将大于原岩的弹性强度，此时原岩将转化为塑性状态或潜塑性状态。

2 山体赋存煤层群原岩应力场特征的数值模拟

斜沟煤矿18503 综采工作面对应地表山峦起伏，地表山体相对高差较大，可能会对地下开采的矿压分布规律造成影响。为了掌握山体赋存条件下上覆岩层原岩应力场的分布规律，判断上部山体是否会对工作面的矿压规律造成影响，采用UDEC 数值模拟软件分析了山体下部岩层的原岩应力场分布规律，为山体赋存条件下工作面矿压规律的研究提供指导。

2.1 数值计算模型的建立

以斜沟煤矿8#煤18503 工作面的地质条件为基础，建立二维数值计算模型。根据现场所提供的综合柱状图，本次模拟实验共取16 个层位。所建数值模型见图1。

根据现场煤层实际赋存条件及研究需要，将煤层倾角放大至20°，模型的边界条件为:

1)上部边界条件。上部边界条件为应力边界，与上覆岩层重力(∑γh)有关。为方便研究，将上边界应力简化为均布载荷，由于模型上边界为地表，故模型应力边界条件为0。

2)下部边界条件。模型下部边界条件为底板，视为位移边界条件，在x 方向速度为0，y 方向为固定铰支座，v=0。

3)两侧边界条件。模型两侧为实体煤岩体，视为位移边界条件，在y 方向速度为0，x 方向为固定铰支座，u=0。

该模型中侧压系数取λ=0.5。

图1 山体赋存煤层群原岩应力场的数值计算模型图

由节理和块体的本构关系确定数值模型所需要的属性参数，根据以往的模拟参数和现有的实验数据，取煤层及各岩层的属性参数见表1、表2。

表1 煤岩块力学参数表

表2 煤岩层节理面力学参数表

2.2 垂直应力变化规律

距离山体不同距离处垂直应力的分布情况见图2。

图2 距离山体不同距离处垂直应力的分布情况图

由图2a)和图2b)可知，在距离山体50 m 和100 m 处，垂直应力的分布受山体的影响极大，两侧山峰处的垂直应力值分别达4.6 MPa 和5.4 MPa，而中间山谷处的垂直应力值分别为2.2 MPa 和4.1 MPa，山峰处的垂直应力明显高于山谷处，两者差值分别达2.4 MPa 和1.3 MPa，说明此处处于山体明显影响区内。由图2c)和图2d)可知，随着岩体埋深的增加，虽然山峰处的垂直应力依然高于山谷处，但两者之间的差值逐步减小。距地表150 m 和200 m 时山峰处与山谷处垂直应力差值分别为0.9 MPa 和0.5 MPa，说明此处属于山体影响减弱区。同样，当与地表距离为300 m 时，山峰与山谷处的垂直应力差值已经＜0.1 MPa，垂直应力受地表山体的影响已经极其微小，可以忽略不计，因此可以认为此范围内的岩体不再受地表山体影响，属于无影响区。

2.3 水平应力变化规律

距离山体不同距离处水平应力的分布情况见图3。

图3 距离山体不同距离处水平应力的分布情况图

由图3a)和图3b)可知，在距离山体50 m 和100 m 处，水平应力的分布受山体的影响很大，山峰处的应力值分别为6.8 MPa 和8.2 MPa，而中间山谷处的水平应力值则分别达到10.5 MPa 和9.7 MPa，山峰处的水平应力明显小于山谷处，两者差值分别达3.7 MPa 和1.5 MPa，说明此处处于山体明显影响区内。由图3c)和图3d)可知，随着岩体埋深的增加，虽然山峰处的水平应力依然小于山谷处，但两者之间的差值逐步减小。距地表150 m 和200 m 时山峰处与山谷处水平应力差值分别为2.1 MPa 和1.2 MPa，说明此处属于山体影响减弱区。同样，当与地表距离为300 m 时，水平应力的分布在水平方向上已经较为规律，基本在同一水平线附近小幅变化，水平应力受地表山体的影响已经极其微小，可以忽略不计，因此，可以认为此范围内的岩体不再受地表山体影响，属于无影响区。

3 小 结

本文分析了斜沟煤矿煤层赋存的特点，并通过理论分析和数值模拟的方法对山体赋存煤层群的原岩应力场特征进行了研究，得出以下结论:

1)原岩的自重应力随深度的增加呈线性增长，可按下式进行计算:

2)研究中根据山体下部岩层受山体影响强度的不同分为3 个区，即距地表100 m 以内的明显影响区、距地表100 ～200 m 的影响减弱区和距地表300 m 以下的无影响区。

明显影响区内的垂直应力和水平应力受山体的影响均很大;影响减弱区内山体的影响明显降低，但仍会造成不可忽略的影响;无影响区内的原岩应力受山体影响已非常微小，可以忽略。根据以上影响区域的划分，可为不同埋藏深度煤层开采时的围岩应力场研究提供理论依据。

3)在山峰内部，水平应力低于正常值，出现应力降低区;在山谷内部，水平应力高于正常值，出现应力增高区。据此结论可知，当开采活动处于山体影响区域以内时，应尽量将巷道布置于应力降低区内，以降低巷道的掘进维护成本，保证安全生产。

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