下层煤应力分布规律与巷道破坏特征研究

王 伟

（大同煤矿集团燕子山矿综采一队，山西 大同 037037）

下层煤开采是我国煤矿开采中常见形式是针对近距离分布的煤层的下行开采。由于煤层距离近，且上煤层开采后的采空区会改变下层煤应力分布情况，所以下煤层开采的巷道支护工作就变得非常复杂，巷道布置变得相对困难。针对近距离煤层应力的研究近年来比较少，如果支护情况不好，不仅有可能造成支护成本大大提高，还会增大开采工作危险系数。因此有必要对下煤层开采过程中应力分布情况进行研究，对巷道的破坏特征进行分析，从而根据应力分布规律及破坏特征，设计行之有效的巷道支护方案，为下煤层开采提供保障。本文以同煤集团燕子山矿为研究对象，通过理论分析及数值模拟的方法研究了下层煤应力分布状况及围岩破坏特征，提出了优化支护方案。

1 下层煤应力分布理论研究

1.1 下层煤应力分布

燕子山煤矿位于大同煤田西北边缘。矿井井田东与马脊梁沟和大同市地方煤矿相邻，南与马脊梁井田相邻，西与东周窑井田和侏罗系古剥蚀边界相邻，北以十里河最高洪水位线为界。分析煤层为该煤矿8#和9#煤层，其中8#煤层为上覆开采煤层，9#煤层位于8#煤层采空区和煤柱下方。

近煤层中上煤层开采后围岩应力发生改变，顶板垮落后应力增大，经煤层传递后传至下煤层，导致后者出现应力分布改变，巷道围岩应力状况随之改变，严重情况下导致围岩变形破坏。上煤层回采以后顶板垮落，采空区产生支承压力，该压力与上煤层重力、煤层结构以及煤层高度有关，支承压力分布如图1所示。

图1 采空区支承压力

由图1可以发现，距离煤柱较远处压力为原岩应力，大小为γH，而在采空区临近区域出现压力最大值。可将上煤层回采后下方煤层作为理想弹性体，经采空区支承压力下传后，下方岩体某点垂直应力可计算，煤柱下部可生成压力增长区，采空区下方生成压力减小区。下煤层应力会随着上煤柱距离改变而改变，根据燕子山矿的参数，基于弹性理论进行计算，可得下煤层垂直应力分布情况，如图2所示。

图2 下煤层垂直应力分布情况

由图2可以发现距离煤柱较远处下方煤层压力为原岩压力，煤柱下方有应力集中现象发生，采空区之下煤层垂直应力减小。产生这种现象的原因是上层煤压力下传，采空区具有释放压力的作用。由此可见，正常状况煤层压力应为原岩压力，如果上层开采后，下层煤会产生垂直应力集中，极限值可达3倍原岩应力。采空区的释压作用会降低垂直压力传递，从而煤层压力低于原岩压力，释压作用和应力集中作用都会随采煤深度逐渐减弱。

1.2 巷道围岩应力分布

上层煤开采后会减弱附近岩体应力分布状况，采空区压力释放，煤柱区压力增大，下煤层应力的改变引起了巷道围岩应力分布的改变。应力的改变可能会引起巷道破坏，对于煤柱下方应力集中升高的区域可能会破坏巷道支护，而对于采空区下方应力减小，对巷道支护改变较小，下层巷道支承压力如图3所示。

2 应力数值分析

在下煤层应力场理论分析的基础上，想要进一步准确分析巷道围岩应力情况需进行数值模型的分析，从而根据围岩应力分布情况，对巷道支护进行稳定优化。通过FLAC3D软件建立近煤层开采的数值模型。

通过加载煤层属性，添加重力和顶面压力，最终形成应力平衡。根据该矿实际开采顺序，先对上煤层回采，步进为5m，循环进行回采，利用弹性材料填充采空区，模拟采空区支撑压力，直到回采结束后对下层煤进行回采，并计算应力。上煤层回采后下层应力场分布将发生改变，上层煤回采后围岩应力场分布如图4所示。

图4 采空区下层围岩应力分布

根据图4回采后应力分布图可以看出，采空区下层会出现应力释放，小于原岩应力值，而煤柱附近产生应力集中现象，垂直应力在煤柱下方出现极限值，随距离增大逐渐降至原岩应力值。采空区右上围岩出现应力集中，下煤层围岩应力改变较小。采空区域肩角产生应力集中，极限值为11.4MPa，底角处也产生了应力集中，极限值为4MPa。应力集中区域较小，由此可验证上煤层回采导致下煤层产生了剪切应力。对下煤层应力状况进行总结，建立下煤层应力分布曲线图，如图5所示，由图可以看出，煤柱下应力出现激增现象，位置处于下方4.5～24m处。采空区下层应力降低，位置位于下方3.5～39m 处。

图5 下煤层应力分布曲线

根据下煤层应力分布情况，对巷道围岩进行试验，分析不同位置围岩塑性分布，上层煤回采后的采空区下方区域巷道两边应力较小，煤柱下巷道两边应力增大，其他煤层应力增大区之外巷道近似原岩应力巷道。所以对于巷道布置应设置在煤柱下方煤层压力增大区域之外，以此来降低巷道围岩的破坏可能性。如果在煤柱下方开采，可把锚索布置在两肩区域，且要增加锚杆强度。

3 结论

文章针对近距离煤层中的下煤层进行研究，在上煤层回采后会改变下层煤应力场分布，运用应力场理论分析的方法对下煤层进行了受力分析。以燕子山矿井的地质状况为例，在理论分析基础上，通过FLAC3D软件建立了近距离煤层的数值分析模型，得出了下层煤应力场分布规律，在此基础上对下层煤巷道围岩的破坏状况进行了分析，为巷道布置及支护优化方案提供了理论依据。