孟 雷

（山西焦煤集團有限責(zé)任公司官地礦，山西 太原030022）

我國地域遼闊，物產(chǎn)豐富，能源種類分布較為集中。但我國能源大致呈現(xiàn)出少油少氣多煤的特征。煤炭資源形成時間漫長，由于地表的下沉、地層的運動、人工的擾動等原因，煤炭資源的賦存條件產(chǎn)生了巨大的差異。煤層埋深、煤層的傾角和煤層的厚度對煤炭資源的開采有著巨大的影響。隨著開采年限的不斷增大，容易開采的煤層大多已經(jīng)被開采，所以煤炭資源的開采大趨勢是對賦存條件較為復(fù)雜的煤層進行安全高效的開采[1]。極近距離煤層的開采一直是一個熱門的研究課題[2，3]。由于在進行極近距離煤層開采時，上層煤層的開采會對下層煤層的頂板進行一定的擾動，當(dāng)上部煤層完成開采后，上層煤層的頂板垮落后，垮落的巖體會對下層煤層的頂板造成一定的沖擊載荷；當(dāng)進行下層煤層開采時，煤層的頂板由于受到上層頂板垮落的巖體的沖擊會發(fā)生冒落災(zāi)害，巷道的圍巖變形也會增大，對巷道的維護提出了一定的難度。此前眾多的學(xué)者對極近煤層的開采進行了一定的研究[4]。本文通過數(shù)值模擬對極近距離煤層的采空區(qū)巷道的穩(wěn)定性進行了一定研究，為以后的極近距離煤層的開采提供了一定的指導(dǎo)和指引。

1 模型建立過程簡介

為了更好地分析和研究上部煤層垮落及遺留煤柱對下層煤層頂板的應(yīng)力載荷，本文選取FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對此進行了一定的分析和研究。通過對現(xiàn)場煤層的地質(zhì)條件進行監(jiān)測，對模型中的力學(xué)參數(shù)進行設(shè)置，上層煤層（4號）的埋深為280 m，煤層的傾角為3°，煤層的厚度為2 m，下層煤層與上層煤層的平均間距為1 m，下層煤層的厚度為4 m，由于煤層的傾角都較小，本次模擬默認煤層傾角為0°的水平煤層。選取上部煤層的上覆巖層厚度為59 m，底板的厚度設(shè)定為34.1，上下煤層的間距選取為1 m，模型的高度總計為93.3 m，模型的長度設(shè)定為200 m，在考慮模型長度時，默認4108工作面與4019工作面的長度均為100 m，同時預(yù)留120 m的邊界，所以模型的長度設(shè)定為320 m。模型的示意圖如圖1所示。

圖1 模型設(shè)置示意圖

對模型進行約束設(shè)定，對模型的x方向和y方向進行固定。對模型的上表面施加上覆巖層對模型的載荷，計算載荷自身質(zhì)量時，將上覆巖層的容重選取為2 500 kg/m3，模型的破壞準(zhǔn)則選取為庫倫-摩爾準(zhǔn)者，庫倫-摩爾破壞準(zhǔn)者一般應(yīng)用于巖體的拉伸和剪切破壞，庫倫-摩爾準(zhǔn)則如下：

式中：σ1與σ3分別代表最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力；θ為巖體的內(nèi)摩擦角；c代表巖石的粘結(jié)力；α為摩擦角。當(dāng)公式中的f＞0時，材料發(fā)生剪切破壞或拉伸破壞。庫倫-摩爾準(zhǔn)則可以有效的反應(yīng)巖石的內(nèi)部破壞情況。

2 模擬結(jié)果分析

對單側(cè)采空區(qū)和雙側(cè)采空區(qū)的遺留煤柱對底板的應(yīng)力分布情況進行分析，本文選取的遺留煤柱的寬度為20 m，單側(cè)采空區(qū)和雙側(cè)采空區(qū)的模擬云圖如圖2所示。

圖2 單雙側(cè)采空區(qū)煤柱對底板應(yīng)力對比圖

從圖2-1可以看出煤柱的左側(cè)為實體巖層區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大的壓應(yīng)力高達18.3 MPa，隨著距離煤柱的邊緣線不斷增加，巖層受到的工程擾動逐步下降，在距離大到一定程度后，巖體受到的力慢慢降低到原巖應(yīng)力。在煤柱的右側(cè)采空區(qū)區(qū)域應(yīng)力分布明顯小于煤柱的左側(cè)，且在靠近煤柱的采空區(qū)頂板和底板區(qū)域產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，在此區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)頂板和底板受到的應(yīng)力明顯小于原巖應(yīng)力，在此區(qū)域會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，最高的拉應(yīng)力為0.11 MPa，隨著與煤柱的邊緣線距離的增加，采空區(qū)的頂板與底板的壓應(yīng)力不斷增加，在距離大到一定程度后，巖體受到的力慢慢降低到原巖應(yīng)力。

圖2-2為雙側(cè)采空區(qū)遺留煤柱對采空區(qū)底板的應(yīng)力分布圖，可以看出在雙側(cè)采空區(qū)下，煤柱的穩(wěn)定性較好。在煤柱的倆側(cè)會形成一定的塑性區(qū)域，在倆側(cè)煤柱的中間部位會形成一定的壓應(yīng)力峰值區(qū)域，壓應(yīng)力的峰值為16.6 MPa，在內(nèi)側(cè)區(qū)域隨著距離煤柱邊緣線的距離不斷增加，巖體慢慢回歸原巖應(yīng)力。在采空區(qū)的頂板和底板區(qū)域會形成一定的拉應(yīng)力區(qū)域，拉應(yīng)力區(qū)域的最大值為0.12 MPa，隨著距離煤柱的邊緣線越來越遠，巷道的巖層的應(yīng)力分布逐步升高至原巖應(yīng)力值。

為了研究不同煤柱寬度對底板的應(yīng)力分布，本文選取不同的煤柱寬度10 m和20 m進行數(shù)值模擬研究，給出了不同煤柱寬度下的底板巖層應(yīng)力的分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，不同煤柱的寬度對底板的應(yīng)力分布情況是不同的，當(dāng)煤柱的寬度為10 m時，在煤柱在中心位置對底板的壓力最大，當(dāng)煤柱的寬度較小時，底板的應(yīng)力呈現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象，在煤柱的中心線位置，應(yīng)力出現(xiàn)峰值，達到了21 MPa，底板的應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)出對稱分布，對稱軸為煤柱的中心線。由于煤柱的寬度較低，煤柱對底板的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出倒V型；當(dāng)煤柱的寬度增加到20 m時，煤柱的受力情況明顯不同于煤柱寬度為10 m時對底板的應(yīng)力分布，寬度為20 m的煤柱對底板的壓力呈現(xiàn)出倒W型。底板的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出對稱分布，對稱軸一樣為煤柱的中心線，不同的是垂直應(yīng)力的最大值不在此對稱軸上，最大值出現(xiàn)在對稱軸左右5 m的位置處，煤柱底板的垂直應(yīng)力最大值為14.7 MPa。從上層煤柱對底板的應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著向采空區(qū)方向的推進，底板的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢，且在煤柱正下方為應(yīng)力的增高區(qū)，而在煤柱的邊緣應(yīng)力開始降低。本文將原巖應(yīng)力設(shè)置為一條水平的等值應(yīng)力線，可以清楚的看出煤柱對底板的應(yīng)力分布的增高與減小區(qū)。

圖3 不同的煤柱寬度下底板應(yīng)力分布圖

根據(jù)數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn)，上部煤層的遺留煤柱會對底板的應(yīng)力分布造成較大的影響，當(dāng)上部煤層的煤柱較為穩(wěn)定時，煤柱的正下方會出現(xiàn)下應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)上部煤層與下部煤層的距離較近時會對下層煤層開采時造成一定的安全隱患。所以在進行下部煤層開采時應(yīng)當(dāng)充分考慮下部工作面的穩(wěn)定性。且在進行煤柱的設(shè)置時應(yīng)當(dāng)保證煤柱處在應(yīng)力均衡位置，非均勻的載荷會在下部煤層附近出現(xiàn)應(yīng)力過載的情況，所以在極近煤層開采時，煤柱的設(shè)置區(qū)域應(yīng)當(dāng)盡量處于應(yīng)力均勻區(qū)域。

3 結(jié)論

1）通過單側(cè)采空區(qū)的模擬可以看出在煤柱左側(cè)會產(chǎn)生應(yīng)力集中，壓應(yīng)力最大為18.3 MPa，隨著距離煤柱的邊緣線不斷增加，應(yīng)力逐步慢慢降低到原巖應(yīng)力。煤柱右側(cè)采空區(qū)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，最高的拉應(yīng)力為0.11 MPa。

2）雙側(cè)采空區(qū)遺留煤柱倆側(cè)會形成一定的塑性區(qū)域，倆側(cè)煤柱中間部位會出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)，壓應(yīng)力的峰值為16.6 MPa，在采空區(qū)的頂板和底板區(qū)域會形成一定的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的最大值為0.12 MPa。

3）對不同寬度的煤柱對底板應(yīng)力分布進行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度為10 m時，應(yīng)力呈現(xiàn)倒V型，最大峰值為21 MPa；當(dāng)煤柱寬度為20 m時，應(yīng)力呈現(xiàn)倒W型，最大峰值為14.7 MPa。