山體下部巖層原巖應力場分布規律研究

吳亞軍

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

原巖應力場是指天然存在于原巖內部且與人類活動無關的應力場，包括自重應力、構造應力、膨脹應力、地熱應力等，其中自重應力以及構造應力為組成原巖應力場的主要部分。構造應力在構造形成后的數百萬年內已經得到充分釋放，因此，研究中認為構造應力為0。原巖應力場是研究開采空間附近應力重新分布情況的基礎，因此研究山體賦存巖體的原巖應力狀態，可以為分析煤層開采過程中采場周圍應力的變化，優化工作面的支護參數提供理論依據。

1 山體賦存煤層群原巖應力場特征的理論分析

在山體賦存煤層群條件下，可以假定原巖為均勻的連續介質，因此，可以應用連續介質力學原理對原巖的自重應力進行計算:

式中:

γ—上覆巖層的體積力，kN/m3;

H—單元體的埋藏深度，m;

λ—側壓系數。

此處假設原巖是各向同性彈性體，依照廣義胡克定律，可以得到單元體各個方向上的應變:

由于εx=0，εy=0，σx=σy，則σx、σy之間的關系為:

一般情況下，巖石的泊松比μ 為0.2 ～0.3，側壓系數λ 為0.25 ～0.43。

假如原巖是由多層體積力不相同的巖層構成，各個巖層的體積力和厚度依次為γ1，γ2…γi…γn;h1，h2…hi…hn。則原巖的初始自重應力為:

由上式可得，原巖的自重應力隨深度的增加呈線性增長。當深度在一定范圍內時，原巖處于彈性狀態;當埋藏深度超過一定范圍后，自重應力將大于原巖的彈性強度，此時原巖將轉化為塑性狀態或潛塑性狀態。

2 山體賦存煤層群原巖應力場特征的數值模擬

斜溝煤礦18503 綜采工作面對應地表山巒起伏，地表山體相對高差較大，可能會對地下開采的礦壓分布規律造成影響。為了掌握山體賦存條件下上覆巖層原巖應力場的分布規律，判斷上部山體是否會對工作面的礦壓規律造成影響，采用UDEC 數值模擬軟件分析了山體下部巖層的原巖應力場分布規律，為山體賦存條件下工作面礦壓規律的研究提供指導。

2.1 數值計算模型的建立

以斜溝煤礦8#煤18503 工作面的地質條件為基礎，建立二維數值計算模型。根據現場所提供的綜合柱狀圖，本次模擬實驗共取16 個層位。所建數值模型見圖1。

根據現場煤層實際賦存條件及研究需要，將煤層傾角放大至20°，模型的邊界條件為:

1)上部邊界條件。上部邊界條件為應力邊界，與上覆巖層重力(∑γh)有關。為方便研究，將上邊界應力簡化為均布載荷，由于模型上邊界為地表，故模型應力邊界條件為0。

2)下部邊界條件。模型下部邊界條件為底板，視為位移邊界條件，在x 方向速度為0，y 方向為固定鉸支座，v=0。

3)兩側邊界條件。模型兩側為實體煤巖體，視為位移邊界條件，在y 方向速度為0，x 方向為固定鉸支座，u=0。

該模型中側壓系數取λ=0.5。

圖1 山體賦存煤層群原巖應力場的數值計算模型圖

由節理和塊體的本構關系確定數值模型所需要的屬性參數，根據以往的模擬參數和現有的實驗數據，取煤層及各巖層的屬性參數見表1、表2。

表1 煤巖塊力學參數表

表2 煤巖層節理面力學參數表

2.2 垂直應力變化規律

距離山體不同距離處垂直應力的分布情況見圖2。

圖2 距離山體不同距離處垂直應力的分布情況圖

由圖2a)和圖2b)可知，在距離山體50 m 和100 m 處，垂直應力的分布受山體的影響極大，兩側山峰處的垂直應力值分別達4.6 MPa 和5.4 MPa，而中間山谷處的垂直應力值分別為2.2 MPa 和4.1 MPa，山峰處的垂直應力明顯高于山谷處，兩者差值分別達2.4 MPa 和1.3 MPa，說明此處處于山體明顯影響區內。由圖2c)和圖2d)可知，隨著巖體埋深的增加，雖然山峰處的垂直應力依然高于山谷處，但兩者之間的差值逐步減小。距地表150 m 和200 m 時山峰處與山谷處垂直應力差值分別為0.9 MPa 和0.5 MPa，說明此處屬于山體影響減弱區。同樣，當與地表距離為300 m 時，山峰與山谷處的垂直應力差值已經＜0.1 MPa，垂直應力受地表山體的影響已經極其微小，可以忽略不計，因此可以認為此范圍內的巖體不再受地表山體影響，屬于無影響區。

2.3 水平應力變化規律

距離山體不同距離處水平應力的分布情況見圖3。

圖3 距離山體不同距離處水平應力的分布情況圖

由圖3a)和圖3b)可知，在距離山體50 m 和100 m 處，水平應力的分布受山體的影響很大，山峰處的應力值分別為6.8 MPa 和8.2 MPa，而中間山谷處的水平應力值則分別達到10.5 MPa 和9.7 MPa，山峰處的水平應力明顯小于山谷處，兩者差值分別達3.7 MPa 和1.5 MPa，說明此處處于山體明顯影響區內。由圖3c)和圖3d)可知，隨著巖體埋深的增加，雖然山峰處的水平應力依然小于山谷處，但兩者之間的差值逐步減小。距地表150 m 和200 m 時山峰處與山谷處水平應力差值分別為2.1 MPa 和1.2 MPa，說明此處屬于山體影響減弱區。同樣，當與地表距離為300 m 時，水平應力的分布在水平方向上已經較為規律，基本在同一水平線附近小幅變化，水平應力受地表山體的影響已經極其微小，可以忽略不計，因此，可以認為此范圍內的巖體不再受地表山體影響，屬于無影響區。

3 小 結

本文分析了斜溝煤礦煤層賦存的特點，并通過理論分析和數值模擬的方法對山體賦存煤層群的原巖應力場特征進行了研究，得出以下結論:

1)原巖的自重應力隨深度的增加呈線性增長，可按下式進行計算:

2)研究中根據山體下部巖層受山體影響強度的不同分為3 個區，即距地表100 m 以內的明顯影響區、距地表100 ～200 m 的影響減弱區和距地表300 m 以下的無影響區。

明顯影響區內的垂直應力和水平應力受山體的影響均很大;影響減弱區內山體的影響明顯降低，但仍會造成不可忽略的影響;無影響區內的原巖應力受山體影響已非常微小，可以忽略。根據以上影響區域的劃分，可為不同埋藏深度煤層開采時的圍巖應力場研究提供理論依據。

3)在山峰內部，水平應力低于正常值，出現應力降低區;在山谷內部，水平應力高于正常值，出現應力增高區。據此結論可知，當開采活動處于山體影響區域以內時，應盡量將巷道布置于應力降低區內，以降低巷道的掘進維護成本，保證安全生產。

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