開采上下保護(hù)層卸壓效果的數(shù)值模擬分析

秦子晗，藍(lán) 航

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

開采上下保護(hù)層卸壓效果的數(shù)值模擬分析

秦子晗，藍(lán) 航

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

為了確定在沖擊地壓礦井中如何選擇保護(hù)層進(jìn)行開采，采用了FLAC3D軟件對不同煤層條件進(jìn)行了保護(hù)層的模擬開采，分析了保護(hù)層開采后的應(yīng)力分布以及所受層間距和上下位置關(guān)系的影響情況。模擬結(jié)果表明，層間距越大，卸壓范圍越小，卸壓程度也越弱，同時在保護(hù)層開采的邊界位置還存在應(yīng)力增高的現(xiàn)象。通過對開采上下保護(hù)層的模擬分析發(fā)現(xiàn)，開采下保護(hù)層時，其卸壓范圍和卸壓效果要優(yōu)于開采上保護(hù)層。研究所得成果可以為沖擊地壓礦井如何合理有效地順序開采提供依據(jù)，以降低或避免沖擊地壓事故的發(fā)生。

保護(hù)層;被保護(hù)層;沖擊地壓;卸壓;層間距

1 保護(hù)層開采的意義

保護(hù)層開采技術(shù)是指先采一個煤層 （或分層），從而使得鄰近煤層得到一定時間的卸載。保護(hù)層開采后，在其圍巖中產(chǎn)生裂隙，引起圍巖向采掘空間移動，使采空區(qū)上下方的巖層卸載，形成卸壓帶。

從圖1中可以看出，在卸壓帶范圍內(nèi)，卸載作用隨著向上或向下遠(yuǎn)離保護(hù)層而衰減。在卸壓帶的某些范圍內(nèi)，應(yīng)力降低到一定程度時，開采工作才會免遭沖擊地壓的危害。

2 數(shù)值模擬模型建立

該模型集中模擬具有3層煤的煤層群開采，三層煤的厚度都為3.5m，自上而下的層間距分別為20m和30m。煤層頂?shù)装鍘r性分別為泥巖和細(xì)砂巖，傾角為0°，為近水平煤層。模型模擬高度為122.5m，模型走向長度220m，兩端分別考慮20m的邊界影響區(qū)域，實(shí)際模擬工作面走向長度180m，其中包括6m的切眼寬度。模型傾向長度為190m，其中兩端也分別考慮20m的邊界影響區(qū)域，兩巷均為矩形巷道。模型上方有600m未模擬巖層按等效載荷代替。

圖1 保護(hù)層開采的卸壓分布

模型四個邊界均是固定法向位移，底端邊界固定垂直位移。

模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D所建數(shù)值模型

3 保護(hù)層開采模擬分析

在模擬過程中，分別對不同位置的3層煤進(jìn)行回采，每層煤回采之后產(chǎn)生的卸壓區(qū)如圖3所示。

從圖中可以看出，當(dāng)煤層回采之后，在采空區(qū)上方和下方都會出現(xiàn)一定范圍的卸壓。越靠近煤層，卸壓范圍越大，卸壓的程度也越大，但在采空區(qū)的邊緣，無論是從傾向還是走向上看，又存在著一個應(yīng)力增高區(qū)?；诖?，在被保護(hù)層進(jìn)行回采時，應(yīng)將工作面布置在卸壓區(qū)內(nèi)，避免跨經(jīng)采空區(qū)邊緣的高應(yīng)力區(qū)，防治發(fā)生事故。從模擬的結(jié)果可以得知，通過保護(hù)層開采來防治煤巖動力災(zāi)害是有效的，而且無論開采上保護(hù)層還是下保護(hù)層，對于被保護(hù)煤層都會起到卸壓的效果。

由于開采上下保護(hù)層都能夠達(dá)到使保護(hù)層卸壓的效果，因此在實(shí)際中，根據(jù)保護(hù)層所在位置不同，煤層可以按下行順序開采，也可按上行順序開采，或者按混合順序開采。但開采保護(hù)層的一個重要原則就是要首先選擇無沖擊危險(xiǎn)或沖擊危險(xiǎn)性最小的煤層，或能保證安全開采的煤層作為保護(hù)層。本文在同等的條件下，對開采上下保護(hù)層的卸壓效果分別進(jìn)行了模擬分析。卸壓效果的分析通過被保護(hù)層的垂直應(yīng)力大小與開采前的原巖應(yīng)力大小進(jìn)行對比，比值越小表明卸壓效果越明顯。

圖3 保護(hù)層開采后的空間應(yīng)力分布

3.1 上保護(hù)層開采的卸壓效果分析

在模擬中，對位于保護(hù)層下方 20m，30m，50m的被保護(hù)層卸壓效果進(jìn)行了分析，將每層的垂直應(yīng)力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖4所示的應(yīng)力等值線圖，圖中的矩形框位置為保護(hù)層開采的范圍。

圖4 上保護(hù)層開采后的煤層應(yīng)力等值線

從圖4可以看出，在位于采空區(qū)正下方的區(qū)域，被保護(hù)層的卸壓效果最好，在靠近上保護(hù)層邊緣的位置，應(yīng)力會有些許升高。從模擬結(jié)果來看，在保護(hù)層下方，被保護(hù)層的卸壓范圍與層間距的大小有著重要聯(lián)系。隨著層間距的增大，被保護(hù)層的卸壓程度及卸壓范圍都在逐漸減小。

為了更直觀地分析開采上保護(hù)層的保護(hù)效果，將保護(hù)層下方同一位置的不同深度的應(yīng)力變化繪制成曲線，如圖5所示。

模擬的保護(hù)層開采范圍是30～190m，從圖5可以看出，在采空區(qū)下方，距離20m的煤層卸壓程度最大，最大達(dá)到原巖應(yīng)力的10%，卸壓范圍也最大，應(yīng)力在原巖應(yīng)力的60%以下的區(qū)域?yàn)?5～185m。但從圖中可以看出，在采空區(qū)邊緣，其應(yīng)力則超過了原巖應(yīng)力，因此，在開采被保護(hù)層時，要考慮上采空區(qū)的煤柱影響。另外從圖中看出，距離保護(hù)層50m的區(qū)域卸壓效果要遠(yuǎn)低于20m位置處，但其受采空區(qū)邊緣的影響也最小。

圖5 不同層間距的被保護(hù)層的應(yīng)力變化曲線

3.2 下保護(hù)層開采的數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬，將對下保護(hù)層進(jìn)行開采后，不同層間距的被保護(hù)層的應(yīng)力變化繪成等值線圖，如圖6，圖中矩形框位置為保護(hù)層開采的范圍。

圖6 上保護(hù)層開采后的煤層應(yīng)力等值線

由圖6可知，如果下保護(hù)層開采范圍較小，則上部堅(jiān)硬巖層將不會斷裂垮落，這一層堅(jiān)硬巖層將對其上部的被保護(hù)層的卸壓起到阻隔作用。如果開采煤層回采的范圍足夠大，堅(jiān)硬巖層也將斷裂垮落，那么堅(jiān)硬巖層將不能對被保護(hù)層的卸壓起到屏障作用。

從應(yīng)力等值線圖及應(yīng)力變化曲線圖中可以看出，被保護(hù)層的卸壓范圍及卸壓程度與上保護(hù)層開采的情況大致相似，詳見圖7。

圖7 不同層間距的被保護(hù)層的應(yīng)力變化曲線

3.3 上下保護(hù)層卸壓效果對比

為了更好對比不同位置的保護(hù)層的保護(hù)效果，將相同層間距的煤層卸壓效果進(jìn)行對比，如圖8。

圖8 上、下保護(hù)層開采的煤層應(yīng)力變化曲線對比

從圖8可以得知，在層間距大小相等的情況下，從被保護(hù)層的卸壓程度及卸壓范圍上分析，下保護(hù)層開采后的卸壓效果要好于開采上保護(hù)層。因此，在層間距合適的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮開采下保護(hù)層，其基本原則是不能破壞上層煤的開采條件。在傾斜煤層中，由于下保護(hù)層的開采并不能保證被保護(hù)層在開采水平上完全被保護(hù)。因此為了安全開采，可以采取多種措施，如開采上、下保護(hù)層或在下水平超前開采保護(hù)層。

時間因素對保護(hù)作用有2種影響:一種是有利的，另一種是不利的。保護(hù)層停采后，巖層和煤層的移動與變形還在一定的時間內(nèi)延續(xù)進(jìn)行，保護(hù)帶可得到部分?jǐn)U展。但是由于保護(hù)層開采后，垮落的巖石在上覆應(yīng)力作用下逐漸壓實(shí)，應(yīng)力逐漸恢復(fù)，一些研究者認(rèn)為保護(hù)作用會隨時間的延長而消失。對于近距離或中距離保護(hù)層，被保護(hù)層卸壓較充分，隨時間延長，被保護(hù)層的狀態(tài)和煤的力學(xué)性質(zhì)不可能恢復(fù)原狀，因而保護(hù)作用也不會隨時間的延長而消失，國內(nèi)外均有開采保護(hù)層后6～12a再采被保護(hù)層不發(fā)生沖擊的實(shí)例。

4 結(jié)論

開采保護(hù)層后，形成了保護(hù)帶，從而起到減緩沖擊地壓的作用。研究表明，在被保護(hù)了的煤層進(jìn)行開采時，支承壓力峰值降低了，但被保護(hù)范圍要小于保護(hù)層的開采范圍，這說明，保護(hù)作用的實(shí)質(zhì)在于改善了被保護(hù)層開采中能量積聚與釋放的空間分布。

（1）無論采用上或下保護(hù)層開采，保護(hù)層上下范圍內(nèi)的煤層都會出現(xiàn)應(yīng)力降低的現(xiàn)象，卸壓的程度隨著層間距的增大而減小。

（2）對于近水平煤層，保護(hù)層開采后，在保護(hù)層正下方或正下方的區(qū)域卸壓程度最大，而在采空區(qū)邊緣的上下區(qū)域，應(yīng)力則會出現(xiàn)一定程度的增大。因此被保護(hù)層開采要避免跨經(jīng)采空區(qū)邊緣的高應(yīng)力區(qū)。

（3）在層間距大小相等的情況下，從被保護(hù)層的卸壓程度及卸壓范圍上分析，下保護(hù)層開采后的卸壓效果要好于開采上保護(hù)層。在層間距合適的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮開采下保護(hù)層。

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［4］齊慶新，李宏艷，潘俊鋒，等.沖擊礦壓防治的應(yīng)力控制理論與實(shí)踐 ［J］.煤礦開采，2011，16（3）:114－118.

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Numerical Simulation of Pressure Relief Effect in Mining Upper and Lower Protective Coal-seam

QIN Zi-han，LAN Hang
（Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

In order to determine how to select protective seam in mine with rock-burst danger，applying FLAC3Dto simulating protective seam mining under different conditions.Stress distribution and the influence of interval between 2 coal-seams and relative position was analyzed.Simulation results showed that interval was larger，pressure relief range was smaller and pressure relief degree was weaker，stress rose at boundary of protective seam mining.Stress relief range and effect mining of mining bottom protective seam was better than that of mining upper protective seam.This might provide reference for selecting mining sequence to reduce or avoid rock-burst danger.

protective seam;protected seam;rock-burst;pressure relief;interval between 2 coal-seams

TD324.2

A

1006-6225（2012）02-0086-04

2011－11－04

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 （973）項(xiàng)目 （2010CBA26806）

秦子晗 （1983－），男，河北故城人，助理工程師，主要從事沖擊地壓防治及煤礦安全相關(guān)工作。

［責(zé)任編輯:于海湧］

特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理