下保护层开采围岩运移数值模拟研究

武晋文

(阳泉煤业集团有限责任公司 二矿， 山西 阳泉 045000)

1 工程概况

二1煤层为鹤壁四矿主采煤层，位于二迭系山西组下部，赋存稳定，结构简单，煤厚4.0～15.0 m，平均7.3 m，煤层大部分为缓倾斜煤层，煤层倾角为5°～25°，平均20°.二1煤底板下50 m以内存在4层煤，如果对其进行回采，形成下位保护层，上覆二1煤层将会得到卸压，出现裂隙，煤层透气性系数将会增加，有利于二1煤层瓦斯的抽采和消突，对二1煤层回采区域的安全、高效生产产生积极的作用。采区主要岩层及物理特性见表1.

根据该矿开采设计，选择一8煤层先行开采，作为二1煤层的保护煤层，利用保护层开采产生的顶板裂隙对二1煤层瓦斯进行释放，达到二1煤层安全开采的目的[1-2].

2 模型尺寸

本次数值模拟以下保护层3307工作面为计算模型。3307工作面采深600～650 m，煤层厚度0.2～1.2 m.

采用UDEC数值模拟软件模拟随着一8煤层的开采，上覆岩层的冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的分布，主要用数值模拟的方法求得导气裂隙带(冒落带、裂隙带)的高度[3-4].

采用FLAC 3D三维立体应变模型，模拟随着一8煤层的开采，二1煤层的膨胀变形和应力释放效果。模型沿x轴方向取400 m，y轴方向取300 m，z轴方向取178.7 m，划分60×80×45个单元，工作面长度为100 m，两端各留100 m的边界煤柱。

数值模型采用三维立体应变模型。根据地质柱状图，主要模拟一8煤层(保护层)开采50 m、100 m、150 m、200 m时，上覆岩层应力分布、层间硬岩破断规律以及二1煤层的垂直位移及膨胀变形规律。

3 被保护层的垂直应力演化规律

下保护层一8煤层工作面沿走向推进50 m、100 m、150 m、200 m后，模型上覆煤岩层垂直应力分布模拟结果见图1；工作面沿走向推进50 m、100 m、150 m、200 m后，上覆岩层及二1煤层的垂直应力云图，见图2.

由图1、图2可知：

表1 岩体物理力学参数表

图1 随着下保护层工作面的推进上覆岩层垂直应力分布图

图2 随着下保护层工作面的推进二1煤层垂直应力分布图

1) 当保护层推进50 m时，上覆岩层应力分布受采动影响较小，在保护层开切眼后方及工作面前方，出现集中应力。此时二1煤层受采动影响程度和范围都较小，应力变化范围为10.2～16.7 MPa，二1煤层的最小应力为10.2 MPa，较原岩应力减少了4.8 MPa;大于10.2 MPa同时又小于12 MPa的应力范围近似椭圆形，长轴大约为 80 m，短轴大约为40 m，可见，卸压效应已经发展到二1煤层高度，但卸压效果不明显，见图1 a)、图2 a).

2) 当保护层推进100 m时，在采空区上方形成一定的应力降低区域，应力降低区发展趋势基本对称。此时，从走向剖面上看，上覆岩层卸压出现不连续的情况，分析可能是由于4.6 m的中粒砂岩强度较大，形成悬板结构，其上覆载荷层随之离层，导致应力降低；二1煤层的卸压范围较工作面推进50 m时有所扩大，应力变化为3.7～17.8 MPa.二1煤层的垂直应力3.7～10.0 MPa近似半径为40 m的圆；小于5 MPa的范围近似半径为15 m的圆，见图1b)、图2b).

3) 当保护层推进150 m时，在采空区上方岩层的应力进一步降低，应力降低区发展趋势基本对称。此时，从走向剖面上看，上覆岩层卸压等值曲线出现不平滑情况，分析可能是由于4.6 m的中粒砂岩阻碍了载荷层的运动；二1煤层的卸压范围较工作面推进100 m时有所扩大，应力变化为1.4～18.6 MPa.二1煤层的最小垂直应力在1.5 MPa附近；二1煤层小于5 MPa的范围近似长轴为90 m且短轴为70 m的椭圆，见图1c)、图2c).

4) 当保护层推进200 m时，在采空区上方岩层的应力再一次降低，应力降低区发展趋势基本对称。此时，从走向剖面上看，上覆岩层卸压等值曲线亦出现不平滑情况，分析可能是由于4.6 m的中粒砂岩对二1煤层的卸压效果有一定影响；二1煤层的卸压范围较大，应力变化为1.01～17.01 MPa.二1煤层小于5 MPa的卸压范围近似长轴为140 m且短轴为70 m的椭圆，并且走向上有50 m的垂直应力降到了1.1 MPa，见图1 d)、图2 d).

另外，由图1b)、图1c)、图1 d)可知，工作面开采100～200 m后上覆岩层的垂直应力出现不平滑的应力图线，分析是由于工作面上方37 m处的4.6 m厚中粒砂岩强度较大造成的，由此可知，工作面上方37 m处的中粒砂岩对二1煤层的应力卸压有一定影响。

4 被保护层膨胀变形

1) 走向方向被保护层垂直位移。

下保护层工作面开采50 m、100 m、150 m、200 m时，被保护层的垂直位移见图3.

图3 随着保护层工作面的推进上覆岩层垂直位移图

由图3可知：

a) 当保护层推进50 m时，上覆岩层垂直变形受采动影响较小。从剖面上看，上覆岩层的下沉量有47.8 mm，二1煤层受采动影响程度和范围都很小。可见，一8煤层工作面推进50 m造成二1煤层的垂直变形不明显。

b) 当保护层推进100 m时，上覆煤岩层垂直变形受一8煤层采动影响较推进50 m时有一定扩大。从剖面上看，二1煤层最大的下沉量约为93 mm，垂直变形大于80 mm的等值线近似“O”形，其半径约为30 m.

c) 当保护层推进150 m时，上覆煤岩层的垂直变形区域进一步增大，变形区域基本对称。二1煤层的最大垂直变形为10～130 mm，但是较推进100 m时，工作面上方37 m处往上的变形较小，分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂岩强度较大，一定程度上阻碍了其上方的二1煤层垂直变形。

d) 当保护层工作面推进200 m时，上覆煤岩层的变形区域继续增大，变形区域基本对称。二1煤层的垂直变形范围较大，为10～157 mm，垂直位移变形范围近似椭圆形；但是较推进150 m时，工作面上方37 m处往上的变形较小，分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂岩的强度较大，二1煤层处在弯曲下沉带的下部及裂隙带的上部。

2) 走向方向被保护层的膨胀变形。

利用FLAC内部hist命令记录被保护层顶、底板在下保护层开采不同距离的位移数据，处理所得位移数据得到图4，图中数据小于零的点，说明该点处被保护层受压缩，反之，被保护层发生膨胀变形。

图4 二1煤层的膨胀变形曲线图

由图4可知：

a) 当保护层工作面推进50 m时，二1煤层的最大压缩量为20.7 mm，压缩变形率为0.28%；二1煤层没有任何的膨胀变形，只是保护层采空区上方被保护层的压缩变形较原始值有所降低。

b) 当保护层工作面推进100 m时，二1煤层的最大压缩量为25.0 mm，压缩变形率为0.34%；二1煤层膨胀变形值开始增大，最大膨胀变形值为13.0 mm，相对二1煤层其膨胀率仅为0.18%.

c) 当保护层工作面推进150 m时，二1煤层的最大压缩量为28.1 mm，压缩变形率为0.38%；二1煤层膨胀变形值逐渐增大，最大膨胀变形值为18.8 mm，相对二1煤层其膨胀率约为0.26%.二1煤层膨胀变形均大于10 mm的有95 m，其中还有70 m的范围二1煤层膨胀变形大于15 mm.

d) 当保护层工作面推进200 m时，二1煤层的最大压缩量为30.0 mm，压缩变形率为0.41%；二1煤层膨胀变形范围和变形量较工作面推进150 m时都有所增大，最大膨胀变形值为21.5 mm，相对二1煤层其膨胀率约为0.30%，有80 m的范围二1煤层膨胀变形均大于20 mm.

3) 倾向方向被保护煤层垂直位移。二1煤层垂直位移曲线见图5.

由图5可知：

图5 二1煤层垂直位移曲线图

a) 当保护层推进50 m时，二1煤层受一8煤层的采动影响较小；二1煤层的最大垂直位移只有48 mm，卸压效果不明显。

b) 当保护层推进100 m时，二1煤层的垂直位移变形量和范围都同时增大；二1煤层的最大垂直位移93 mm.

c) 随着保护层推进距离的不断增大，二1煤层的垂直位移变形量和范围也同时增大，但效果不明显，分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂岩影响了上覆煤岩层的垂直位移。当工作面推进150 m时，二1煤层的最大垂直位移为129 mm；当工作面推进200 m时，二1煤层的最大垂直位移为157 mm.

4) 倾向方向被保护煤层膨胀变形。

同样利用FLAC内部hist命令记录被保护层顶、底板在下保护层开采不同距离的位移数据，处理所得位移数据得到图6.

图6 倾斜方向上二1煤层的膨胀变形曲线图

a) 当保护层推进50 m时，倾向方向上二1煤层没有任何膨胀变形，只是保护层采空区上方的二1煤层压缩变形较未开挖时降低了一些。

b) 当保护层推进100 m时，二1煤层出现了一定的膨胀变形，二1煤层的最大膨胀变形为13.5 mm.

c) 随着保护层推进距离的不断增大，二1煤层的膨胀变形也同时增大，但增大效果不明显。分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂岩影响了上覆煤岩层的垂直位移。当工作面推进150 m时，二1煤层的最大膨胀变形为19.6 mm；当工作面推进200 m时，二1煤层的最大膨胀变形为22.2 mm.

5 结 论

通过对下保护层3307工作面及其围岩进行数值建模，运用UDEC及FLAC3D进行数值模拟研究，可得出如下主要结论：

1) 对下保护层开采后上覆煤岩层的应力释放及位移变化规律的数值模拟研究发现：下保护层开采后，上覆煤岩层的应力出现一定的卸压效果，其中被保护层会出现一定大小的应力释放“O”型圈，且下保护层工作面推进距离越大，“O”型圈越大，并且“O”型圈中心的应力越小，达到一定程度之后不会降低；上覆煤岩层的移动变形规律也出现类似的“O”型圈，且下保护层工作面推进距离越大，“O”型圈越大，

“O”型圈中心的位移变形值也越大。

2) 从监测到的被保护层的膨胀变形的曲线分析得：水平方向上，被保护层的膨胀变形近似“U”型，即下保护层工作面中心上方的被保护层膨胀变形较大，靠近上下顺槽上方的被保护层膨胀变形较小，在下保护层实体煤上方的被保护层没有出现膨胀变形，反而出现了一定的压缩变形，可能是由于实体煤出现了一定的应力集中造成的；倾斜方向上，被保护层的膨胀变形近似一个倒“U”型。

3) 从研究下保护层与被保护层之间的关键层结构对被保护层卸压和膨胀变形的影响分析得出：层间关键层结构对被保护层的卸压和膨胀变形有一定影响。距离一8煤层4 m的4.6 m厚的石灰岩关键层结构不会对上覆煤岩层的卸压和膨胀变形有影响或者影响较小，但距离一8煤层约37 m的4.6 m厚的砂质泥岩关键层结构对上覆煤岩层的卸压和膨胀变形有一定影响。

4) 对下保护层开采后被保护层应力释放及位移变形规律数值模拟研究表明：开采下保护层对上被保护层有较好的卸压作用，但其中的层间关键层结构对被保护层的卸压作用有一定影响。

5) 当工作面推进200 m后，二1煤层获得了较好的卸压效果，走向上二1煤层低于5 MPa的长度为145 m，倾向上二1煤层低于5 MPa的长度为60 m；二1煤层最大垂直位移为157.0 mm，二1煤层最大膨胀变形为22.2 mm，最大相对膨胀变形为0.3%.

参 考 文 献

[1] 惠功领.煤矿深部近距低采高上保护层开采瓦斯灾害协同控制技术[D].徐州:中国矿业大学,2015.

[2] 魏志勇.杨村煤矿底板突水的工程地质研究[D]. 徐州：中国矿业大学,2014.

[3] 施龙青,韩 进. 开采煤层底板“四带”划分理论与实践[J]. 中国矿业大学学报,2015,34(1):16-23.

[4] 王海峰. 采场下伏煤岩体卸压作用原理及在被保护层卸压瓦斯抽采中的应用[D]. 徐州：中国矿业大学,2015.

[5] 张拥军,于广明,路世豹,等. 近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析[J]. 岩石力学,2010,31(1):398-404.

[6] 王轶波,李红涛,赵启峰. 上解放层底板下向钻孔抽放被解放层瓦斯技术研究[J].矿业工程研究,2011,26(2):18-21.