近距離多煤層下保護(hù)層開采卸壓范圍數(shù)值模擬

李 文

(貴州盤江精煤股份有限公司土城礦)

近距離多煤層下保護(hù)層開采卸壓范圍數(shù)值模擬

李 文

(貴州盤江精煤股份有限公司土城礦)

為了獲得近距離多煤層下保護(hù)層開采的最大卸壓范圍，結(jié)合某煤礦中煤組的實(shí)際地質(zhì)條件和工作面布置情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了下保護(hù)層開采的三維模型，模擬分析了下保護(hù)層1318116工作面開采后上覆煤巖層的應(yīng)力場、位移場變化特征。根據(jù)保護(hù)層開采的應(yīng)力卸壓準(zhǔn)則和變形準(zhǔn)則，計(jì)算出走向和傾向上的最大卸壓范圍。以應(yīng)力降低10%的界限來劃分開采卸壓范圍，結(jié)果表明：①走向，從保護(hù)層開采邊界外擴(kuò)7.32 m，最大卸壓角達(dá)到71.28°；②傾向，從保護(hù)層開采下邊界外擴(kuò)4.91 m，卸壓角最大為79.80°，上邊界外擴(kuò)6.37 m，卸壓角最大為85.18°。

近距離多煤層 下保護(hù)層 卸壓范圍 數(shù)值模擬

近距離多煤層下保護(hù)層開采具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，采用數(shù)值分析方法能夠更為全面的體現(xiàn)出下保護(hù)層開采的效果。該方面文獻(xiàn)[1-2]模擬了保護(hù)層開采的過程，得到了被保護(hù)層煤體的應(yīng)力和變形分布特征；王宏圖等將東林煤礦K6煤層作為下保護(hù)層開采[3]，利用有限元ANSYS軟件模擬該煤層開采后，對K4煤層的應(yīng)力變化、層間變形進(jìn)行了分析，并結(jié)合現(xiàn)場瓦斯壓力考察劃定了傾向上、下部卸壓角；范曉剛等根據(jù)南桐煤礦的實(shí)際開采情況[4]，采用有限元3D-σ軟件模擬煤礦下俯偽斜采煤工作面保護(hù)層開采后，對受采動影響的被保護(hù)層應(yīng)力場變化以及煤層變形規(guī)律進(jìn)行分析，模擬出被保護(hù)層出現(xiàn)橢圓形卸壓圈(O形圈)，并結(jié)合現(xiàn)場瓦斯鉆孔考察劃定卸壓范圍；李樹清等應(yīng)用FLCA3D軟件模擬分析金佳礦下保護(hù)層開采時[5]，上方煤層群的各煤層應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，通過保護(hù)層開采的應(yīng)力卸壓保護(hù)準(zhǔn)則和變形保護(hù)準(zhǔn)則劃定各被保護(hù)層沿走向及傾向的保護(hù)范圍，分析得出，在不同煤巖條件下模擬出的保護(hù)范圍與按卸壓角劃定的保護(hù)范圍存在差異性。上述模擬的保護(hù)層開采過程主要是探討了保護(hù)層地劃分，并未獲得更大的卸壓范圍。為此，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對近距離煤層群下保護(hù)層開采過程進(jìn)行研究，尋找出最大的卸壓范圍。

1 采煤工作面概況及數(shù)值模擬方法

1.1 工作面概況

1.2 數(shù)值模擬方法

為了更精確地模擬出保護(hù)層開采后覆巖破壞情況，構(gòu)建了FLAC3D三維立體模型，該模型網(wǎng)格總數(shù)為194 400個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為204 655個。模型頂部邊界取地表下650 m處，模型左右、前后邊界和下部邊界施加滾動邊界條件。在模型的頂部施加垂直應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算，初始垂直應(yīng)力值取16 MPa。模型的左右水平應(yīng)力按靜水壓力考慮，前后水平應(yīng)力均取垂直應(yīng)力的1/2。沿走向開挖，每步開挖10 m，共開挖200 m。采用軟件中“應(yīng)變硬化/應(yīng)變軟化”模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該煤礦的地質(zhì)資料及相關(guān)試驗(yàn)獲得了各煤巖層的力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 某煤礦圍巖力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

下保護(hù)層開采200 m的走向、傾向垂直應(yīng)力模擬結(jié)果見圖1。由圖1(a)可知，保護(hù)層開采后，采空區(qū)上覆巖層大量垮落，卸壓范圍相應(yīng)擴(kuò)大，同時工作面的后方位置，由于受到垮落下的巖石充填部分采空區(qū)，也支撐起了上覆煤巖體的部分重力，形成了采空區(qū)后方已經(jīng)卸壓的部分區(qū)域，應(yīng)力出現(xiàn)了回升。由圖1(b)可知，覆巖的卸壓范圍隨開采的進(jìn)行而擴(kuò)大，受傾角影響，垂直應(yīng)力呈非對稱分布。

2.2 位移分析

下保護(hù)層開采200 m的傾向、走向垂直位移模擬結(jié)果見圖2。隨著保護(hù)層的開采，上覆巖層出現(xiàn)了下沉、破壞、冒落等現(xiàn)象，使得被保護(hù)煤層出現(xiàn)下沉。由圖2(a)可知，由于受到傾斜影響，上覆巖層中部下沉量大，兩側(cè)較小。圖2(b)反映了下保護(hù)層開采后，隨著回采覆巖的下沉，當(dāng)回采到一定距離時，覆巖達(dá)到了一定的下沉高度。

圖1 下保護(hù)層開采200 m的傾向垂直應(yīng)力

圖2 下保護(hù)層開采200 m的走向垂直位移

3 卸壓范圍分析

3.1 卸壓范圍確定的依據(jù)

(1)煤層變形卸壓范圍確定依據(jù)?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定，保護(hù)層開采后被保護(hù)層膨脹變形量大于3‰才能作為有效被保護(hù)范圍。因此，以法向膨脹量大于6‰ 作為數(shù)值模擬的考察值。

(2)煤層壓力釋放卸壓范圍確定的依據(jù)。保護(hù)層開采后覆巖上方被保護(hù)層相應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力降低至一定程度，使得煤層內(nèi)部瓦斯卸壓并得到了一定的壓力釋放。根據(jù)保護(hù)層開采后被保護(hù)層的應(yīng)力重新分布特性，應(yīng)力釋放率計(jì)算公式為

式中，R為應(yīng)力釋放率，%；σ為煤層的初始應(yīng)力，MPa；σ′為煤層卸壓后的應(yīng)力，MPa。

根據(jù)煤礦現(xiàn)場情況，當(dāng)保護(hù)層開采后，上覆煤層均得到了一定程度的卸壓，距保護(hù)層越近，卸壓范圍及卸壓程度就越大。為此，文中將應(yīng)力釋放率達(dá)到10%以上的區(qū)域視為卸壓范圍。

3.2 走向卸壓范圍

下保護(hù)層開采200 m后上覆各煤巖層走向位移變化、應(yīng)力變化情況見圖3。由圖3可知：①保護(hù)層工作面開采以后，上覆各煤層中部都出現(xiàn)了大量下沉，區(qū)域煤層應(yīng)力得到了釋放，利于瓦斯快速解析；②在開切眼后-20 m和工作面220 m處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到了41 MPa，并起到了很好的支撐作用。將上覆各煤層應(yīng)力分布區(qū)域大致分為工作面前方應(yīng)力升高區(qū)、工作面后方應(yīng)力升高區(qū)、采空區(qū)上方應(yīng)力降低區(qū)、采空區(qū)上方應(yīng)力恢復(fù)區(qū)等4個區(qū)域。

圖3 下保護(hù)層開采200 m后

通過上述分析，并結(jié)合模擬的膨脹變形量和應(yīng)力釋放數(shù)據(jù)，預(yù)測出保護(hù)層開采后上覆各煤層走向的卸壓范圍，見表2。

表2 模型走向卸壓范圍及卸壓角劃分

由表2可知，在以膨脹變形6‰考察走向的卸壓范圍時，劃定的保護(hù)范圍和卸壓角基本符合《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》；以應(yīng)力降低10%為界限劃分的卸壓范圍為從保護(hù)層開采邊界開始往外擴(kuò)7.32 m，上覆各煤層的卸壓角也隨之變大?？傮w來講，在走向卸壓范圍內(nèi)的卸壓瓦斯解析后，能夠快速涌進(jìn)保護(hù)層開采工作面，形成瓦斯災(zāi)害，從而減慢回采進(jìn)度。

3.3 傾向卸壓范圍

下保護(hù)層開采200 m后，上覆各煤巖層傾向位移變化、應(yīng)力變化情況見圖4。模型上、下傾角卸壓范圍及卸壓角劃定結(jié)果見表3。

圖4 下保護(hù)層開采200 m后

表3 模型上、下傾角卸壓范圍及卸壓角劃定

由圖4及表3可知：①以膨脹變形量6‰考察走向的卸壓范圍時，劃定的保護(hù)范圍和卸壓角基本符合《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》的要求；②以應(yīng)力降低10%為界限劃分的卸壓范圍為從保護(hù)層開采下邊界外擴(kuò)4.91 m，上邊界外擴(kuò)6.37 m，相應(yīng)的卸壓范圍也隨之?dāng)U大。

4 結(jié) 論

(1)下保護(hù)層工作面開采后，上覆巖層產(chǎn)生了采動卸壓，形成了工作面前方應(yīng)力升高區(qū)、工作面后方應(yīng)力升高區(qū)、采空區(qū)上方應(yīng)力降低區(qū)和采空區(qū)后方應(yīng)力恢復(fù)區(qū)4個上覆各煤層應(yīng)力分布區(qū)。

(2)下保護(hù)工作面開采后，上覆巖層出現(xiàn)垮落和離層。開切眼和工作面煤壁處由于受到煤壁的支撐，下沉量較?。皇苊簩觾A角的影響，進(jìn)風(fēng)巷處的下沉量大于回風(fēng)巷處的下沉量。

(3)下保護(hù)層工作面開采后，分別以膨脹變形6‰的保護(hù)范圍準(zhǔn)則和應(yīng)力降低10%的卸壓準(zhǔn)則來考察卸壓范圍。以應(yīng)力降低10%為界限劃分的卸壓范圍為：①走向?yàn)閺谋Ｗo(hù)層開采邊界開始往外擴(kuò)7.32 m，最大卸壓角達(dá)到71.28°；②傾向?yàn)閺谋Ｗo(hù)層開采下邊界外擴(kuò)4.91 m、卸壓角最大為79.80；③上邊界外擴(kuò)6.37 m，卸壓角最大為85.18°。

[1] 王永秀，齊慶新，徐 剛，等.華豐礦保護(hù)層開采數(shù)值模擬研究[J].煤礦開采，2003(4)：4-7.

[2] 石必明，俞啟香，周世寧．保護(hù)層開采遠(yuǎn)距離煤巖破裂變形數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(3)：259-263．

[3] 王宏圖，洪 松，胡國忠，等.急傾斜下保護(hù)層傾向保護(hù)范圍數(shù)值模擬及驗(yàn)證[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32(3)：629-632.

[4] 范曉剛，王宏圖，胡國忠，等.急傾斜煤層俯偽斜下保護(hù)層開采的卸壓范圍[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(3)：380-385.

[5] 李樹清，龍祖根，羅衛(wèi)東，等.煤層群下保護(hù)層開采保護(hù)范圍的數(shù)值模擬[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(6)：34-39.

Numerical Simulation on the Pressure Relief Range of the Lower Protective Layer Mining of Close Range Multiple Coal Seam

Li Wen

(Tucheng Coal Mine, Guizhou Panjiang Refined Coal Co., Ltd.)

In order to obtain the maximum pressure relief range of lower protective lager mining of close range multiple coal seam, combing with the actual geological conditions and working face arrangement situations of the coal groups in coal mine, the FLAC3Dnumerical software is used to establish the three-dimensional model of lower protective layer mining, so as to simulate and analyze the changes characteristics of stress field and displacement field of the overlying strata after the 1318116 working face of the lower protective coal seam. According to the rules of pressure relief and deformation of protective layer mining, the maximum pressure relief ranges of trend and tendency are calculated. The mining pressure relief range is divided by reducing 10%stress. The results show that: ①the pressure relief range in trend direction is started from the mining boundary layer outward expansion of 7.32 m, the maximum pressure relief angle is 71.28°; ②the pressure relief range in tendency direction is started from the lower mining boundary layer outward expansion of 4.91 m, the maximum pressure relief angle is 79.80°, the upper mining boundary layer outward expansion of 6.37 m, the maximum pressure relief angle is 85.18°.

Close range multiple coal seam, Lower protective coal seam, Pressure relief range, Numerical simulation

2014-12-22)

李 文(1968—),男，工程師,561600 貴州省六盤水市盤縣。