近距离多煤层下保护层开采卸压范围数值模拟

李 文

(贵州盘江精煤股份有限公司土城矿)

近距离多煤层下保护层开采卸压范围数值模拟

李 文

(贵州盘江精煤股份有限公司土城矿)

为了获得近距离多煤层下保护层开采的最大卸压范围，结合某煤矿中煤组的实际地质条件和工作面布置情况，采用FLAC3D数值模拟软件建立了下保护层开采的三维模型，模拟分析了下保护层1318116工作面开采后上覆煤岩层的应力场、位移场变化特征。根据保护层开采的应力卸压准则和变形准则，计算出走向和倾向上的最大卸压范围。以应力降低10%的界限来划分开采卸压范围，结果表明：①走向，从保护层开采边界外扩7.32 m，最大卸压角达到71.28°；②倾向，从保护层开采下边界外扩4.91 m，卸压角最大为79.80°，上边界外扩6.37 m，卸压角最大为85.18°。

近距离多煤层 下保护层 卸压范围 数值模拟

近距离多煤层下保护层开采具有复杂的地质结构条件，采用数值分析方法能够更为全面的体现出下保护层开采的效果。该方面文献[1-2]模拟了保护层开采的过程，得到了被保护层煤体的应力和变形分布特征；王宏图等将东林煤矿K6煤层作为下保护层开采[3]，利用有限元ANSYS软件模拟该煤层开采后，对K4煤层的应力变化、层间变形进行了分析，并结合现场瓦斯压力考察划定了倾向上、下部卸压角；范晓刚等根据南桐煤矿的实际开采情况[4]，采用有限元3D-σ软件模拟煤矿下俯伪斜采煤工作面保护层开采后，对受采动影响的被保护层应力场变化以及煤层变形规律进行分析，模拟出被保护层出现椭圆形卸压圈(O形圈)，并结合现场瓦斯钻孔考察划定卸压范围；李树清等应用FLCA3D软件模拟分析金佳矿下保护层开采时[5]，上方煤层群的各煤层应力、应变分布规律，通过保护层开采的应力卸压保护准则和变形保护准则划定各被保护层沿走向及倾向的保护范围，分析得出，在不同煤岩条件下模拟出的保护范围与按卸压角划定的保护范围存在差异性。上述模拟的保护层开采过程主要是探讨了保护层地划分，并未获得更大的卸压范围。为此，采用FLAC3D数值模拟软件对近距离煤层群下保护层开采过程进行研究，寻找出最大的卸压范围。

1 采煤工作面概况及数值模拟方法

1.1 工作面概况

1.2 数值模拟方法

为了更精确地模拟出保护层开采后覆岩破坏情况，构建了FLAC3D三维立体模型，该模型网格总数为194 400个，节点总数为204 655个。模型顶部边界取地表下650 m处，模型左右、前后边界和下部边界施加滚动边界条件。在模型的顶部施加垂直应力，经计算，初始垂直应力值取16 MPa。模型的左右水平应力按静水压力考虑，前后水平应力均取垂直应力的1/2。沿走向开挖，每步开挖10 m，共开挖200 m。采用软件中“应变硬化/应变软化”模型进行计算。根据该煤矿的地质资料及相关试验获得了各煤岩层的力学参数，见表1。

表1 某煤矿围岩力学参数

2 数值模拟结果分析

2.1 应力分析

下保护层开采200 m的走向、倾向垂直应力模拟结果见图1。由图1(a)可知，保护层开采后，采空区上覆岩层大量垮落，卸压范围相应扩大，同时工作面的后方位置，由于受到垮落下的岩石充填部分采空区，也支撑起了上覆煤岩体的部分重力，形成了采空区后方已经卸压的部分区域，应力出现了回升。由图1(b)可知，覆岩的卸压范围随开采的进行而扩大，受倾角影响，垂直应力呈非对称分布。

2.2 位移分析

下保护层开采200 m的倾向、走向垂直位移模拟结果见图2。随着保护层的开采，上覆岩层出现了下沉、破坏、冒落等现象，使得被保护煤层出现下沉。由图2(a)可知，由于受到倾斜影响，上覆岩层中部下沉量大，两侧较小。图2(b)反映了下保护层开采后，随着回采覆岩的下沉，当回采到一定距离时，覆岩达到了一定的下沉高度。

图1 下保护层开采200 m的倾向垂直应力

图2 下保护层开采200 m的走向垂直位移

3 卸压范围分析

3.1 卸压范围确定的依据

(1)煤层变形卸压范围确定依据。《防治煤与瓦斯突出规定》规定，保护层开采后被保护层膨胀变形量大于3‰才能作为有效被保护范围。因此，以法向膨胀量大于6‰ 作为数值模拟的考察值。

(2)煤层压力释放卸压范围确定的依据。保护层开采后覆岩上方被保护层相应区域的应力降低至一定程度，使得煤层内部瓦斯卸压并得到了一定的压力释放。根据保护层开采后被保护层的应力重新分布特性，应力释放率计算公式为

式中，R为应力释放率，%；σ为煤层的初始应力，MPa；σ′为煤层卸压后的应力，MPa。

根据煤矿现场情况，当保护层开采后，上覆煤层均得到了一定程度的卸压，距保护层越近，卸压范围及卸压程度就越大。为此，文中将应力释放率达到10%以上的区域视为卸压范围。

3.2 走向卸压范围

下保护层开采200 m后上覆各煤岩层走向位移变化、应力变化情况见图3。由图3可知：①保护层工作面开采以后，上覆各煤层中部都出现了大量下沉，区域煤层应力得到了释放，利于瓦斯快速解析；②在开切眼后-20 m和工作面220 m处出现了应力集中，最大应力达到了41 MPa，并起到了很好的支撑作用。将上覆各煤层应力分布区域大致分为工作面前方应力升高区、工作面后方应力升高区、采空区上方应力降低区、采空区上方应力恢复区等4个区域。

图3 下保护层开采200 m后

通过上述分析，并结合模拟的膨胀变形量和应力释放数据，预测出保护层开采后上覆各煤层走向的卸压范围，见表2。

表2 模型走向卸压范围及卸压角划分

由表2可知，在以膨胀变形6‰考察走向的卸压范围时，划定的保护范围和卸压角基本符合《保护层开采技术规范》；以应力降低10%为界限划分的卸压范围为从保护层开采边界开始往外扩7.32 m，上覆各煤层的卸压角也随之变大。总体来讲，在走向卸压范围内的卸压瓦斯解析后，能够快速涌进保护层开采工作面，形成瓦斯灾害，从而减慢回采进度。

3.3 倾向卸压范围

下保护层开采200 m后，上覆各煤岩层倾向位移变化、应力变化情况见图4。模型上、下倾角卸压范围及卸压角划定结果见表3。

图4 下保护层开采200 m后

表3 模型上、下倾角卸压范围及卸压角划定

由图4及表3可知：①以膨胀变形量6‰考察走向的卸压范围时，划定的保护范围和卸压角基本符合《保护层开采技术规范》的要求；②以应力降低10%为界限划分的卸压范围为从保护层开采下边界外扩4.91 m，上边界外扩6.37 m，相应的卸压范围也随之扩大。

4 结 论

(1)下保护层工作面开采后，上覆岩层产生了采动卸压，形成了工作面前方应力升高区、工作面后方应力升高区、采空区上方应力降低区和采空区后方应力恢复区4个上覆各煤层应力分布区。

(2)下保护工作面开采后，上覆岩层出现垮落和离层。开切眼和工作面煤壁处由于受到煤壁的支撑，下沉量较小；受煤层倾角的影响，进风巷处的下沉量大于回风巷处的下沉量。

(3)下保护层工作面开采后，分别以膨胀变形6‰的保护范围准则和应力降低10%的卸压准则来考察卸压范围。以应力降低10%为界限划分的卸压范围为：①走向为从保护层开采边界开始往外扩7.32 m，最大卸压角达到71.28°；②倾向为从保护层开采下边界外扩4.91 m、卸压角最大为79.80；③上边界外扩6.37 m，卸压角最大为85.18°。

[1] 王永秀，齐庆新，徐 刚，等.华丰矿保护层开采数值模拟研究[J].煤矿开采，2003(4)：4-7.

[2] 石必明，俞启香，周世宁．保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟[J].中国矿业大学学报，2004，33(3)：259-263．

[3] 王宏图，洪 松，胡国忠，等.急倾斜下保护层倾向保护范围数值模拟及验证[J].重庆大学学报：自然科学版，2009，32(3)：629-632.

[4] 范晓刚，王宏图，胡国忠，等.急倾斜煤层俯伪斜下保护层开采的卸压范围[J].中国矿业大学学报，2010，39(3)：380-385.

[5] 李树清，龙祖根，罗卫东，等.煤层群下保护层开采保护范围的数值模拟[J].中国安全科学学报，2012，22(6)：34-39.

Numerical Simulation on the Pressure Relief Range of the Lower Protective Layer Mining of Close Range Multiple Coal Seam

Li Wen

(Tucheng Coal Mine, Guizhou Panjiang Refined Coal Co., Ltd.)

In order to obtain the maximum pressure relief range of lower protective lager mining of close range multiple coal seam, combing with the actual geological conditions and working face arrangement situations of the coal groups in coal mine, the FLAC3Dnumerical software is used to establish the three-dimensional model of lower protective layer mining, so as to simulate and analyze the changes characteristics of stress field and displacement field of the overlying strata after the 1318116 working face of the lower protective coal seam. According to the rules of pressure relief and deformation of protective layer mining, the maximum pressure relief ranges of trend and tendency are calculated. The mining pressure relief range is divided by reducing 10%stress. The results show that: ①the pressure relief range in trend direction is started from the mining boundary layer outward expansion of 7.32 m, the maximum pressure relief angle is 71.28°; ②the pressure relief range in tendency direction is started from the lower mining boundary layer outward expansion of 4.91 m, the maximum pressure relief angle is 79.80°, the upper mining boundary layer outward expansion of 6.37 m, the maximum pressure relief angle is 85.18°.

Close range multiple coal seam, Lower protective coal seam, Pressure relief range, Numerical simulation

2014-12-22)

李 文(1968—),男，工程师,561600 贵州省六盘水市盘县。