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摘要：通过对25301工作面回采时的矿压显现和覆岩移动规律进行模拟分析，沿煤层倾斜方向建立数值模型。针对工作面实际情况，确定走向模型选用分步开挖的方式。通过数值模拟结果表明：1）煤柱集中应力向底板传递，煤柱正下方5号煤层处应力呈“马鞍”形分布，煤柱两端下方垂直应力较低，向煤柱中心靠近，5号煤处集中应力迅速增大，在距煤柱边缘约5m处达到最大值，应力集中系数为2.1，在煤柱中心处，应力有略微降低，但依然远高于原岩应力;2）煤柱边缘处于卸压区，应力低于原岩应力。因为24301工作面回采后，顶板出现下沉，煤柱起到支撑顶板的作用，其边缘出现塑性区，应力向深部转移;3）原岩应力曲线在煤柱底板的传播角约为23°，在5号煤处，距煤柱边缘水平距离2.33m以外范围，垂直应力低于原岩应力，处于卸压区范围。

关键词：卸压区;回采工作面;垂直应力;数值模拟

0引言

同单一煤层开采研究成果相比，近距离煤层开采研究成果较少。在解决煤层群开采问题时，许多学者首先都尝试给“近距离煤层”这一概念下一个定义。前苏联学者根据煤层间的距离来作为确定能否采用上行顺序开采法的条件，主要是以煤层开采时顶板破坏带高度来定义“近距离煤层”，并给出破坏带高度计算公式。

近距离煤层开采时，可分为下行式开采和上行式开采两种。煤层群间能否采用上行顺序开采的判别方法主要有：实践经验法、比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法等，并给出了相应的判别基本准则。根据已有的研究成果，实现上行顺序开采的先决条件是：下部煤层开采不破坏上部煤层的完整性和连续性，从已有近距离煤层开采文献看，对上行开采的机理和准则，国内外研究较少，且认识也不统一。当煤层间距离很小时，采用该开采方法不能够实现。近距离煤层下行开采研究成果主要围绕以避开煤柱集中压力为出发点进行巷道布置及煤柱下方工作面的安全回采。由于以往研究近距离煤层下行开采问题，大部分是煤层间距相对较远，实际生产中采场围岩控制方面与单一煤层开采变化不大。因此，以往近距离煤层下行式开采在此方面的岩层控制理论与技术研究主要是运用已有单一煤层开采的研究成果。

煤层开采引起回采空间围岩应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力会向底板深部传递。随着煤层间距离减小，上下煤层间开采的相互影响会逐渐增大，特别是当煤层间距很近时，下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响，其上又为上部煤层开采时的直接顶冒落的矸石，且上部煤层开采后残留的区段煤柱在底板形成的集中压力，导致下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化，从而使极近距离煤层开采出现了许多新的矿山压力现象。

史元伟等采用解析法、数值分析方法对近距离煤层开采的相互影响、开采层及煤柱下方的底板岩层应力分布以及跨越上山开采，上部宽巷开采，分层垮落法开采，条带开采等的围岩应力分布规律等作了许多卓有成效的工作，为下部煤层开采设计优化及围岩控制设计起到了积极的作用。在我国生产实践中极近距离煤层的开采方式主要有联合开采、单层逐层开采和含夹矸煤层的开采。过去，由于我国采煤机械化程度较低，尤其是综采的比重不大，回采工艺落后，采煤工作面的单产普遍不高，一个大中型矿井数个采区、多个工作面同时开采才能保证要求的产量，于是通常需对煤层群中的数个煤层实行联合开拓与准备，联合开采主要是集中在联合开采合理错距的研究。

极近距离煤层群采用单层开采方式是实现大型集约化矿井生产的必由之路，随着综采技术的应用，工作面单产大幅度提高，已成为目前各矿区开采极近距离煤层群主要的开采方式。目前，极近距离煤层群开采无特别说明均指单层开采方式。然而与其广泛应用及不相称的是，极近距离煤层的开采理论系统研究尚不完善，主要是极近距离煤层的开采实践和经验的定性总结。

1工程0概况

25301工作面位于某典型煤矿北三采区，沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。东面为山西鑫飞贺昌煤业有限公司的矿界，南面已回采完的25102工作面，西面为北翼大巷，北面为已回采完的24302工作面下方的实体煤。25301工作面走向长1153.3m，工作面底板标高430m～570m，地面标高840m～966m，布置在已采完的24301工作面下方。

25301工作面切眼长度186.8m，布置在24301工作面采空区内错5m，其胶带巷布置在24301工作面胶带巷内错4m处，轨道巷位于24301轨道巷内错7.5m处，两煤层间距为5.5m，工作面布置剖面图如图1所示。

25301工作面总体呈单斜构造，根据巷道掘进资料，预计该工作面回采时将遇到6条断层，1个陷落柱。该煤矿25301工作面所采煤层为5号煤层，煤层整体倾向西，平均倾角5°，煤层为黑色，为半光亮型煤，玻璃光泽。煤层厚度变化范围为3.2～4.2m，平均煤层厚度为3.85m，煤层赋存稳定。根据25301工作面钻孔综合柱状图岩层分布情况，工作面顶板为2.6m厚的泥岩，黑色，中厚层状，平坦断口，半坚硬，其上方为岩性较强的粉砂岩和中砂岩，厚度分别为1.7m和1.2m;直接底为泥岩厚度1.0m，黑灰色，中厚层状，可见大量植物根茎化石;老底为中砂岩，厚度3.2m，褐灰色，厚层状，坚硬。

2 UDEC软件简介

随着计算机应用技术的迅速发展，数值模拟方法在岩土工程问题分析中得到了广泛的应用，大大推动了岩土力学的发展。本次数值模拟主要是运用新版本离散元软件UDEC（Universal Distinct Element Code）。UDEC是一种基于非连续体模拟的离散单元二维数值计算程序。UDEC能够分析研究直接和不连续特征相关的潜在的岩体破坏方式，可以较准确地分析煤层开采造成的覆岩运动及破坏规律。

3 煤柱下应力场分布规律数值模拟研究

3.1数值计算模型的建立

根据该煤矿25301工作面生产地质情况，本次将对4号煤层24301工作面煤柱下底板应力分布规律及25301工作面所处应力环境进行模拟与分析。鉴于25301工作面煤层埋深400m，数值模型中模拟煤层、底板及上覆岩层厚度共65m，其余上覆岩层简化为应力施加在上部边界。为了降低边界效应对数值模拟的影响，本次模拟方案的范围取545m×65m，其中模拟24301工作面与24302工作面倾斜长度均为200m，区段煤柱宽度45m，考虑边界效应，工作面左边留50m煤柱，右边留50m煤柱。根据该煤矿25301工作面煤层赋存地质条件，沿煤层走向方向建立模型，如图2所示。

3.2数值模拟参数确定

根据该煤矿25301工作面钻孔综合柱状图岩层分布，参照原始地质资料中岩层岩性参数，结合查找的相关资料可以得到各层岩体的岩性物理力学参数见表1。

3.3合理的开挖模拟步骤

针对工作面实际情况，确定开挖模拟步骤如下：1）建立整体数值模拟模型，对模型的原岩应力进行平衡计算;2）对煤柱两端的工作面分别进行开挖，并进行模型的应力平衡计算;3）模拟数据的提取及结果的分析处理。

3.4模拟结果分析

24301工作面和24302工作面回采后，区段煤柱所承受的压力急剧增大，并向底板传递。5号煤与3+4号煤层间距仅为5.5m，受到煤柱集中应力影响严重。煤柱下底板应力分布如图3所示。

在煤柱下方5号煤层顶板设置测线，得到5号煤层中垂直应力分布规律如图4所示。

底板应力分为垂直应力，水平应力和剪应力。研究表明，对下方煤层起主要影响作用的是垂直应力。

6结论

通过对25301工作面回采时的矿压显现和覆岩移动规律进行模拟分析，沿煤层倾斜方向建立数值模型。针对工作面实际情况，确定走向模型选用分步开挖的方式。通过图3图4数值模拟表明：1）煤柱集中应力向底板传递，煤柱正下方5号煤层处应力呈“马鞍”形分布，煤柱两端下方垂直应力较低，向煤柱中心靠近，5号煤处集中应力迅速增大，在距煤柱边缘约5m处达到最大值，应力集中系数为2.1，在煤柱中心处，应力有略微降低，但依然远高于原岩应力;2）煤柱边缘处于卸压区，应力低于原岩应力。因为24301工作面回采后，顶板出现下沉，煤柱起到支撑顶板的作用，其边缘出现塑性区，应力向深部转移;3）原岩应力曲线在煤柱底板的传播角约为23°，在5号煤处，距煤柱边缘水平距离2.33m以外范围，垂直应力低于原岩应力，处于卸压区范围。

参考文献

[1] 张金才，张玉卓，刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京：地质出版社，1997.

[2] 张金才，刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报，1990，15（2）：46-55.

[3] 李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J].山东矿业学院院报，1999，18（4）：11-18.

作者简介：马兴勇（1999.06-）男，彝族，六盘水钟山区人，本科在读，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977023）