賈 強，劉 旭

高應力礦區(qū)工作面的合理布置

賈 強1，劉 旭2

（1.四川省煤田地質工程勘察設計研究院，成都610054；2.四川省煤田地質局，成都610054）

利用數值試驗方法，探討了采空區(qū)長度方向與最大水平主應力方向的空間關系對采空區(qū)圍巖應力分布特征、位移變化特征的影響規(guī)律，為高應力礦區(qū)制定合理工作面提供科學的依據。

高應力；工作面；構造主應力；數值分析

采煤沉陷起源于地質因素和采礦因素的綜合影響［1～2］。在諸多影響采煤沉陷的因素中，構造應力是不容忽視的重要因素之一。

構造應力具有明顯的區(qū)域性和方向性，當采空區(qū)的長軸方向與構造主應力方向夾角不同時，采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性有較大差異［3～6］。本文主要利用數值試驗方法，探討采空區(qū)長軸方向與構造主應力方向的空間關系對采空區(qū)圍巖應力分布特征、位移變化特征的影響規(guī)律。

1　計算模型和計算參數

本次數值模擬計算模型以某煤礦實際地質條件為基本條件進行簡化而建立。本次數值試驗共建計算模型兩個：構造主應力方向分別與采空區(qū)長度方向成0°角和90°角。模型長度×高度×寬度為400m ×200m×70m。在模型的上方邊界施加垂直地應力，水平方向施加水平應力。計算所用的力學參數見表1，計算所用的應力參數見表2。

表1　煤巖層物理力學參數

表2　應力條件表

2　計算結果分析

2.1圍巖變形特征與構造應力方向的關系

當采空區(qū)長度方向與構造主應力方向平行（0°）和垂直（90°）時，從圖1～4中可見：

1）從影響范圍來看，當采空區(qū)長度方向與構造主應力平行時，采煤沉陷的范圍較大。

2）當采空區(qū)長度方向與構造主應力平行時，頂板最大下沉值為390.8mm；而當采空區(qū)長度方向與水平主應力垂直時，頂板最大下沉值達447.5mm。

3）在采空區(qū)長度方向和構造應力方向呈不同空間關系時，煤層底板的變形也不同。采空區(qū)長度方向與構造主應力方向平行（0°）時，煤層底板最大底鼓量為55.3mm；當采空區(qū)長度方向與構造主應力方向垂直（90°）時，煤層底板最大底鼓量為83.4mm。

綜上所述，當采空區(qū)長度方向與構造主應力方向近似平行時，采空區(qū)圍巖的變形量最??；當采空區(qū)長度方向與構造主應力方向垂直時，采空區(qū)圍巖的變形量最大。由此推斷，如果工作面推進方向平行于構造主應力方向，可能會對采煤沉陷有一定的抑制作用。

圖1　采空區(qū)長度方向與主應力方向平行時頂板下沉等值線圖（單位：mm）

圖2　采空區(qū)長度方向與主應力方向垂直時頂板下沉等值線圖

圖3　主斷面頂板下沉值對比圖

圖4　主斷面底板底鼓值對比圖

圖5　采空區(qū)長度方向與構造主應力方向平行時的水平應力云圖

圖6　采空區(qū)長度方向與構造主應力方向垂直時的水平應力云圖

2.2圍巖應力分布特征與構造應力方向的關系

由于采動影響，巖體中原巖應力狀態(tài)遭到破壞，從而引起采場圍巖應力重新分布。由數值試驗的結果可得，采空區(qū)圍巖的應力分布特征（圖5～8）。由圖可見：

當采空區(qū)長度方向與構造主應力方向平行時，煤柱附近有相對明顯的應力集中，垂直應力最大達1.1 ×107MPa，水平應力最大達到1.3×107MPa，其垂直應力集中系數為2.3，水平集中應力系數為1.3；同時在煤層頂、底板的極小范圍內有拉應力存在。

當采空區(qū)長度方向與構造主應力方向垂直時，煤柱附近的應力集中程度明顯增加，垂直應力最大達到1.4×107MPa，水平應力最大達到1.6×107MPa，垂直應力集中范圍變小，水平應力集中范圍變大，其垂直應力集中系數為2.7，水平集中應力系數為1.6；在煤層頂、底板中的拉應力作用范圍也有明顯增大。

圖7　采空區(qū)長度方向與構造主應力方向平行時的垂直應力云圖

圖8　采空區(qū)長度方向與構造主應力方向垂直時的垂直應力云圖

由此可見，隨著采空區(qū)長度方向與構造主應力方向夾角的增大，采空區(qū)圍巖應力集中程度增加，圍巖應力集中的范圍呈增大的趨勢，因而圍巖破壞的危險性也隨之增強。

3　小結及建議

從本次數值模擬的結果來看：在高應力煤礦區(qū)，隨著采空區(qū)長度方向與構造應力場最大主應力方向間的夾角由平行（0°）變?yōu)榇怪保?0°），采空區(qū)圍應力集中程度及采空區(qū)圍巖的變形量明顯增加。因此，在布置工作面時，應該充分考慮水平構造應力的影響，合理布置工作面，盡可能使采空區(qū)的長度方向平行于構造主應力的方向，即工作面推進方向宜平行于構造主應力方向。

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On Rational Layoutof Drift Faceof a H igh StressM ine Area

JIAQiang1LIU Xu2
（1-Sichuan Institute Coalfield Geological Engineering Survey and Design，Chengdu610054；2-Sichuan Bureau of CoalGeology，Chengdu610072）

This paper deals w ith influence of spatial relationship between the long axis direction and principal horizontal stress direction on stress distribution and displacement of wall rock in worked out area in order to provide scientific basis for rational layoutof drift face of ahigh stressm ine area.

high stress；tectonic principalstress；drift face；spatial relationship；numericalanalysis

［P642.3］；P618.11

A

1006-0995（2015）02-0246-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.02.022

2014-10-20

賈強（1978-），男，四川通江人，地質工程師，從事煤田地質勘探工作