急倾斜煤层下保护层开采的卸压效应研究

2023-11-10潘立文黄旻鹏饶贵仕郑小龙

江西煤炭科技 2023年4期

陈宝，张坤，潘立文，黄旻鹏，饶贵仕，郑小龙

（江西省应急管理科学研究院，江西南昌 330030）

全世界进行过煤矿开采活动的国家几乎都发生过煤与瓦斯突出事故[1-2]。根据科研和工程技术人员长期理论研究以及实践，保护层开采是一种防治突出最有效、最经济的区域防突措施[3-4]。

在研究保护层开采防突机理方面，采用“发生突出的瓦斯压力最小值” 来判别划分保护层开采保护范围，不能准确地应用于生产实践，具有一定的局限性，这是因为“发生突出的瓦斯压力最小值”本身就只是来源于基于现场的统计规律[4-6]。

《煤矿安全规程》[7-8]第204、205条规定：“具备开采保护层条件的突出危险区，必须开采保护层”，“ 有效保护范围的划定及有关参数应当实际考察确定”；《防治煤与瓦斯突出细则》第63条规定：“首次开采保护层时，可参照附录E确定沿倾斜的保护范围、沿走向（始采线、终采线）的保护范围、保护层与被保护层之间的最大保护垂距、开采下保护层时不破坏上部被保护层的最小层间距等参数。”该规定给出的保护卸压范围在缓倾斜、倾斜煤层开采时得到了很好的应用，划定的保护卸压范围基本能和煤矿现场实测数据保持吻合。但在进行急倾斜保护层开采时，由于煤层产状的特殊性，回采后煤岩体的地应力、上下顶底板岩层的采动裂隙等分布情况都与缓倾斜、倾斜煤层不一致。

江西省煤田地质构造一般较复杂，褶皱、断裂均较发育，煤层倾角较大，以倾斜、急倾斜煤层居多。目前大都是对近水平保护层开采的保护范围以及保护效果进行研究，研究成果为近水平煤层保护层开采起到了指导性的作用。但是对于急倾斜煤层，由于开采过程中上覆岩层的冒落移动、裂隙发育程度、被保护层的变形状态以及卸压程度都与近水平煤层保护层开采不同，近水平保护层开采的保护范围以及保护效果的研究成果不能应用于急倾斜保护层开采，因此，对于急倾斜保护层开采的保护范围和效果需要单独研究。

1 研究内容和技术路线

1.1 研究内容

利用ANSYS软件模拟不同倾角下急倾斜煤层下保护层开采后采动影响区域，研究急倾斜煤层保护层开采中在不同倾角和距保护层不同距离的情况下上覆岩层的应力变化情况和位移情况以及被保护煤层的应力变化情况和位移情况；根据被保护层的应力变化规律，确定出急倾斜保护层开采后被保护层的被保护范围以及被保护层的消突卸压效果，为急倾斜条件下的保护层开采方法提供依据[9-10]。

1.2 技术路线

根据江西省乐平矿务局北部矿区和萍乡矿务局青山、巨源矿区急倾斜煤层群的具体赋存条件，选取65°和45°煤层倾角下保护层，采用数值模拟的方法研究两种倾角条件下保护层采动对煤层顶板和被保护煤层的影响，然后对这两种不同倾角条件下的顶板变形情况以及被保护层的卸压情况进行对比分析研究[11-18]。

2 不同倾角下保护层采动影响范围数值模拟研究

2.1 工程概况

研究区域内煤系地层共有8层煤岩层（第1～8层）。主采煤层为4煤层（第2层）和6煤层（第7层），埋深为441 ～482 m，4 煤层厚2.51 m，6 煤层厚1.51 m，两层煤之间的垂直间距为34.4 m。6（第7层）煤层为保护层，4（第2层）煤层为被保护层，其它为岩层，其中第3层厚6.7 m，第4层厚10.6 m，第5层厚13.5 m，第6层厚3.6 m。根据实际情况取平均倾角65°和45°进行数值模拟，除了倾角不同，煤岩层的赋存以及地质条件情况保持一致。各煤（岩）层的物理力学参数如表1所示。

表1 各煤（岩）层的物理力学参数

2.2 计算模型建立

在计算模型的尺寸确定时，要选取合适的几何尺寸，尺寸太大网格数过多容易浪费计算资源，尺寸太小则难以消除边界条件的影响，容易造成较大的计算误差。

因此，综合考虑以上各种因素，倾角65°和倾角45°急倾斜煤层建立的三维有限元模型长均为300 m，高均为100 m；倾角65°模型宽为100 m，共划分为46 500个单元；倾角45°模型宽为165 m，共划分为48 000个单元。

由于倾角的不同，虽然45°倾角采空区的标高范围与倾角为65°时一样，但是采空区的斜长要大些，为56 m（倾角为65°时采空区的斜长为44 m）。

除上部边界外所有边界均设定为全约束边界。上部边界不受约束，为自由边界，将上部边界以上岩层的自重作为外载荷施加在模型的上部边界上，因此在上部边界施加大小为12 MPa的压力。

将整个初始地应力作用和开采过程设置为若干个荷载步，在各个荷载步中实现初始地应力作用和开采推进步骤，分三步（保护层开采之前即step1、工作面推进55 m时即step2、工作面推进120 m时即step3）逐一求解。

在被保护煤层中沿走向布置3条测线，第一条测线距底部垂高30 m（测线1），第二条测线距底部垂高50 m （测线2），第三条测线距底部垂高70 m（测线3）。在模型中距模型右端不同距离取了3个剖面，第一个剖面距右端102 m（剖面1），第二个剖面距右端150 m（剖面2），第三个剖面距右端174 m（剖面3）。

2.3 分析结果

（1）从不同剖面位置的不同求解步上的水平位移云图上可以看出：在采空区的斜上方，倾角为45°各煤岩层的水平位移分布情况明显与倾角为65°时不一样，在保护层和被保护层之间的岩层，中间位移大，两端逐渐减小；在采空区的下方，各煤岩层的水平位移分布情况与倾角为65°时相似，越靠近采空区底板底鼓越明显；从时间上可以看出，随着工作面的推进，受采动影响的区域范围越来越大。不同剖面step3水平方向位移云图如图1、图2所示。

图1 倾角为65°时水平方向位移云图

图2 倾角为45°时水平方向位移云图

（2）为了查看顶板应力随时间的变化，在顶板上布置了一个测点25919，在工作面推进到该测点之前，该点处法向应力随工作面的推进逐渐增大，在工作面推过该测点以后，该点处法向应力随工作面的推进逐渐降低，但不同倾角下变化幅度相差较大，如图3所示。

图3 测点25919 的法向应力时程曲线

（3）为了查看不同倾角被保护层的应力在沿倾向上的具体情况，在距离右端130 m处设置一个剖面，得到该剖面处的法向应力分布曲线图，如图4所示。从图4(a)中可以看出，与采动之前相比，在沿倾向的25～95 m范围内，煤层内的法向应力得到了不同程度的释放；从图4(b)中可以看出，与采动之前相比，在沿倾向的60～120 m范围内，煤层内的应力得到了不同程度的释放。被保护煤层和开采煤层之间的位置关系如图5所示。图5(a)中显示倾角为65°时被保护煤层中的38～82 m范围也在该范围之内，并且在沿倾向60 m左右的位置应力释放程度最大，在25～95 m范围之外，煤层内的应力反而得到提高；图5(b)中显示倾角为45°时被保护煤层中的62～118 m范围比较一致，并且在沿倾向95 m左右的位置应力释放程度最大，在60～120 m范围之外，煤层内的应力反而得到提高。

图4 被保护煤层法向应力分布曲线

图5 保护煤层和被保护煤层的空间位置

（4）沿被保护层的走向，在三条测线上不同倾角煤层内的应力分布情况如图6所示。从图6（a）中可以看出，倾角为65°时中测线上应力释放程度最明显，下测线上的应力释放程度最小，在沿走向大约60～220 m的范围内，煤层内的应力得到了不同程度的释放，并且在140 m左右处的应力释放程度最大。从图6（b）中可以看出，倾角为45°时上测线上应力释放程度最明显，而下测线上的应力不仅没有得到释放，反而应力得到提高，在沿走向大约60～220 m的范围内，中测线和上测线上煤层内的应力得到了不同程度的释放，并且在140 m左右处的应力释放程度最大。

图6 被保护煤层沿Z 方向的法向应力分布曲线

3 对比分析

3.1 法向位移对比

倾角65°和45°模型中顶板的法向位移情况如图7所示。从图上可以看出倾角为45°模型中开采煤层顶板的法向位移比倾角为65°模型的大，而且顶板沿倾向发生变形的范围也要大，这主要是因为倾角为45°模型中采煤工作面要长（45°模型中采煤工作面长56 m，65°模型中采煤工作面长44 m）。从图上还可以看出这两种模型中顶板的最大法向位移都是在采空区偏上边界的位置，这与现场的测试结果也比较一致，在急倾斜煤层开采条件下，现场实测也表明，顶板位移沿工作面长度方向的分布通常是不均匀的，其一般规律是工作面上部和中部位移比工作面下部大。