“三软”煤层上保护层开采煤岩应力应变研究

王立 撒占友

摘 要：矿井瓦斯灾害会造成人员伤亡及财产损失，严重影响煤矿企业的生产。为研究上保护层开采过程中下伏煤层应力应变的变化规律，降低高应力应区瓦斯突出事故的发生，本文利用COMSOL进行不同煤岩距离的数值模拟。结果表明在一定范围内，保护层开采可有效降低被保护层煤岩压力。

关键词：保护层;数值模拟;煤岩形变

1 概述

我国是一个是一个煤炭大国，2015年，煤炭在我国能源消费比重中大约占70%，[1]2017年，煤炭能源在一次性能源消费比重中仍大約占60%。[2]随着煤炭资源的利用与开采，我国许多矿井逐步进入到高应力开采区域，一旦发生煤矿事故，特别是在“三软”煤层，将会造成巨大损失。2005年到2014年，煤矿事故中，瓦斯事故仍是造成死亡人数最多的事故。[3]本文在结合前人研究的基础上进行“三软”煤层上保护层开采不同煤层间距煤岩应力应变的研究。

2 模型构建

2.1 数学模型构建

在文献[4]中已给出了相应的假设，并建立了煤岩采动下伏煤层应力应变变化的数学模型，本文将基于文献[4]进行研究。

2.2 物理模型构建

（1）数值模型构建。本文建立的模型为水平煤层，各层分布及属性见图1，本文将通过调节两煤层间的岩层厚度（砂质泥岩层）控制煤层间距，通过调节保护层上方岩层（砂质泥岩层）厚度使被保护层所受总压力保持不变，模型长×宽=200×50m，保护层煤层厚度为3m，被保护层煤层厚度为4m。

在保护层上方有中砂岩层及砂质泥岩层，两煤层中间有砂质泥岩层，被保护层下方有泥岩层及砂质泥岩层。

（2）初始条件设定。本文设定模型底部为固定约束，左右两侧分别为辊支承，上部施加20Mpa的均布载荷。

（3）数值模拟。本文通过设定保护层开采距离为40m，分别研究煤层间距为6m、9m及12m的被保护层应力应变变化规律，模拟结果如图2所示。

3 模拟结果及分析

在保护层开采40m范围内，当煤层层间距为6m时，被保护煤层会形成的连续的形变区域，最大影响距离为87.5m，被保护煤层有明显卸压，最大卸压压力约为1MPa;当煤层层间距为9m时，被保护煤层部分区域为发生形变，最大位移形变距离为78m，卸压区域与层间距6m时相比有所缩小，最大卸压压力为09MPa;当煤层层间距为12m时，被保护煤层连续变形区域明显被破坏，最大位移累计为68m，最大卸压压力约为0.7MPa;当煤层层间距为20m时，最大位移累计为52m，最大卸压压力约为02MPa。被保护煤层应力应变随煤层间距的变化。

4 结论

（1）“三软”上保护层开采对下伏煤层有一定程度的卸压，卸压影响随着煤层间距的增大呈线性减小的趋势;

（2）保护层的开采对下伏煤层的采动影响呈倒“V”型分布的特点，随着煤层间距的增大，现象越明显;

（3）在一定的煤层间距范围内（本文为20m），保护层的开采可有效释放被保护煤层的煤与瓦斯的压力，减少煤与瓦斯事故的发生。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.2015年国民经济和社会发展统计公报[EB].2016.

[2]中王彦军，张超龙，肖乐乐，等.2001-2013年煤矿生产事故分类研究[J].煤矿安全，2015，46（3）：208-211.

[3]李伟.高瓦斯厚煤层覆岩裂隙演化与瓦斯运移规律及应用研究[D].西安科技大学，2015.

[4]李磊.“三软”煤层上保护层开采下伏煤岩瓦斯气固耦合模型及应用[D].青岛理工大学，2017.

作者简介：王立（1994-），男，山西长治人，硕士，研究方向：工矿灾害预防与控制、安全与应急管理。

通讯作者：撒占友（1969-），男，内蒙赤峰人，博士，教授，硕士研究生导师，研究方向：工矿灾害预防与控制、安全与应急管理。