基于FLAC3D的保护层开采防突数值模拟分析

李文明

（山西介休义棠安益煤业有限公司，山西 介休 032000）

煤矿的安全受到很多因素的影响，最主要的影响因素就是煤（岩）与瓦斯。煤（岩）和瓦斯流能够在一瞬间喷出采掘工作面，严重损坏井巷设施和矿井中的通风系统，同时引起很多的碎屑物体被抛出，堵塞工人的呼吸系统，大量的煤（岩）埋没矿工，严重的还会引起瓦斯爆炸和火灾等事故。

在煤和瓦斯突出煤层，首先挖掘的煤层作为保护层而存在，目的就是保护那些非常危险的煤层的安全，起到一种类似于屏障的作用。

1 开采上保护层煤岩体卸压理论分析

被开采地区周围的煤层开采后，煤岩层会向采空区发生移动，移动会破坏煤岩中长久以来的平衡关系。最好的治理方法就是降低煤层瓦斯的含量和瓦斯压力，而要降低煤层的瓦斯含量和瓦斯压力，则要通过自然或人工强化排放卸压瓦斯，从而达到消除煤和瓦斯突出危险的目的。保护层开采示意图如图1所示。

图1 保护层开采示意图

开采的那部分煤层或者是减少危险发生的煤层被称为保护层。从空间上来看，上下保护层的分布情况比较容易区分。通过将非常危险的区域转化为不是十分危险区域的方法在理论上是行得通的。

2 FLAC3D软件的基本情况

FLAC3D技术是目前在工程方面的广泛的通用型软件，涉及领域包括：土木工程建设、交通设施建设、水利工程设施建设、石油及采矿工程、环境工程等。作为ITASCA软件产品中的明星产品软件，FLAC3D技术在学术界和实务界具有非常良好的声誉，特别是在国际土木工程和岩土工程方面。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

根据三维显式有限差分法的数值分析方法在学术界被称为三维快速拉格朗日法，可以有效地实现对岩土或其他材料的三维力学行为的模拟。三维快速拉格朗日算法在模拟大变形的问题上是非常专业的。它的计算方法是通过分析计算区域内遵循指定的线性或其他型的本构关系的四面体单元的若干个在给定的边界条件的情况下的计算情况。如果在应力的作用下，材料发生了变形或产生塑性流动，随着材料的变形，单元网格也会发生相应的改变。三维快速拉格朗日应用混合单元离散模型在分析采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程的方式，在模拟材料的屈服、塑性流动、软化甚至是大变形方面达到了非常精确的地步。这种精确性尤其体现在材料模拟施工过程和材料的变形分析等多种领域。

3 上保护层开采后应力场变化规律

3.1 数值模拟模型

作为研究对象的山西介休义棠安益煤业有限公司试验矿井的开采面以及围岩，对于三维力学模型的数值模拟部分要求是非常高的。通过对模型纵向及倾向施加实测力的大小，初始重量作为模型自身重量，计算中运用弹塑性本构模板测量覆岩，同时运用摩尔库仑准则的方式，网格划分情况为单元1200个，节点1200个。FLAC3D中建立的模型如图2所示。

图2 FLAC3D数值模型建立

3.2 倾斜剖面和走向剖面应力场变化规律

关于如何减轻边界效应的考虑，则主要是在模型的内部构造中进行模型的开采和挖掘，以更加清楚地显示物理量的变化规律和采挖保护层的卸压效果。

图3 7#煤层开挖200m时沿倾斜剖面铅直应力场

图 4 11#煤层开挖180m时沿倾斜剖面铅直应力场

图5 7#煤层开挖200m时沿走向剖面铅直应力场

图6 11#煤层开挖300m时，沿走向剖面铅直应力场

分析以上的模拟结果，可以得出以下的结论：

（1）压力值最小的区域为保护层采空区的中部地段，在保护层的采空区中部地段开采时卸压效果最好，也能最大程度地影响采动，煤层的渗透性达到最好的情况就是煤层的采动裂隙是比较大的。

（2）应力值也比较小，采空区中部地段的应力作用力的大小是明显低于周围煤层的作用力的。甚至于在采空区的上方很有可能达到压力值为0的情况，这说明这个区域内卸压是非常充分的。因此，也极有可能形成非常密集的采动裂隙地带，原始煤岩体的渗透率在整个煤层中的渗透率是非常低的。因此，为了保证安全，在进行瓦斯抽放时，应该将钻孔的位置放置在该区域内。

（3）上覆煤岩体的卸压效果在所有煤岩体的卸压效果中是非常明显的，尤其是开采保护层方面。开采保护层时，保护层底板侧岩体的卸压影响程度沿煤层的垂直方向大概能达到40m的范围，这种情况下，会形成比较多的采动裂隙。同时，比较大的煤岩体的渗透率，在这个区域也是非常明显的。

4 结论

通过研究保护层开采后应力场的数值模拟，可以清晰地发现：随着工作面的不断推进，位移量逐渐增大的上覆煤层的采挖工作对于采动裂隙形成的作用比较大，采动影响程度也会比较大。下方煤岩体位置的移动情况要小于上方煤岩体的移动情况，采动裂隙的分布也会比较疏松；在开采范围内上覆岩层向下的垂直位移是非常明显的。上覆岩的倾斜方向的变化比较大，这就形成了不断扩大的塑性区域范围，煤岩体的裂隙也会因此而有所增加，渗透性也在逐步增强。