保護層開采中的數值模擬研究

陸凱 尹彬

摘 要：針對義安礦2#煤層瓦斯含量高，煤層透氣性差的問題，結合礦井的實際條件，應用模擬軟件建立起相應的數學模型，模擬對煤層上保護層進行開采，并根據開采保護層前后應力、應變的變化情況分析其卸壓效果。結果顯示，保護層開采后，被保護層產生明顯塑性變形，其內部的瓦斯將由保護層向采空區運移；開采保護層厚度越大，采動影響范圍越大，卸壓作用越明顯。

關鍵詞：保護層開采 瓦斯突出 數值模擬 分析

中圖分類號：TD713.31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0036-02

在防治煤與瓦斯突出的區域性防突措施中，開采保護層是最有效的一種方法，并在一些突出礦井得到了廣泛應用[1-2]。保護層開采能使突出危險煤層的應力狀態和瓦斯動力狀態發生改變，使被保護層卸壓，增大煤層的透氣性，從而有利于被保護層的瓦斯流動、解吸，最終達到預防煤與瓦斯突出的目的[3]。在研究保護層開采過程中，被保護層的變形特性對實際生產中保護層開采方案的實施具有重要的意義。數值模擬作為一種力學分析工具，已被學術界和工程界廣泛接受[4-5]，利用數值模擬的方法對保護層開采進行研究是一種新的嘗試。

1 Flac3D軟件介紹

Flac3D是由美國ITASCA咨詢公司開發的三維快速拉格朗日分析程序，它以有限差分法為理論基礎，利用三維計算機程序模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學特征，特別適合用于分析漸進破壞失穩以及模擬大變形[6-7]。FLAC3D內置了11種材料本構模型和5種計算模式，可以模擬多種結構形式，被廣泛應用于各種巖土工程領域。FLAC3D還有優秀的后處理功能，可以繪制多種曲線和圖形，如等應力線、等位移線等，可以為用戶分析模擬結果提供了極大的方便。

2 礦井概況

河南義馬煤業集團義安礦位于洛陽市新安縣境內，為煤與瓦斯突出礦井。二#煤層為主要可采煤層，平均采厚5.0 m，為緩傾斜煤層，傾角為0°～5°，可認為是水平煤層，平均埋藏深度是550 m。主要巖層及力學參數如表1所示。本煤層瓦斯含量高，煤層原始透氣性系數較低，在掘進工作面時經常發生瓦斯超限現象，目前主要采用高位鉆孔的方法抽放被保護層瓦斯，但效果并不明顯，用開采保護層的方法進行卸壓很有必要。

3 數值模擬分析

3.1 建立模型

義安礦二號煤層保護層開采模型中，高度按需要研究范圍內的地層總高度計算，取65 m，寬度按照工作面長度100 m模擬，長度取200 m。整個模型共分8層，模型（長×寬×高）為200 m×100 m×65 m，共劃分13000個單元，模型見圖1。由于研究對象為煤層和巖層，其本構關系符合摩爾-庫倫準則，所以本次數值模擬模型采用摩爾-庫倫本構模型。

Flac3D模型的初始條件為位移邊界條件和應力邊界條件。由于模型選取的只是煤礦開采范圍的一部分，所以對邊界條件的設定為X正負方向上約束為0，Y正負方向上約束為0，Z負方向上約束為0。模型處于重力場中，運算時施加重力場作用Z負方向重力加速度為9.81。模型頂部設定均布載荷8.2 MPa。

3.2 數值分析

賦予各巖層合理的物理參數后，用solve命令設定模型的求解方法，用model null 模型控制對保護層的開采，設定開挖10m。Flac3D能很好地模擬各巖層應力和應變分布。

由圖2可知，煤層傾向最大應力為14～

18 MPa，走向最大應力為16～18 MPa。傾向方向應力分布有明顯的突變，致使局部區域內應力集中，對安全回采帶來隱患。

對整個過程進行位移穩定性分析，如圖3所示，為開挖后最大不平衡力與時間（步長）的關系。

從圖中曲線中可以看出，巷道圍巖不平衡力在建模后有一個調整階段，然后逐漸趨于穩定，在開采保護層后迅速有大幅的調整，之后又穩定下來，說明被保護煤層產生了明顯的卸壓現象。

上保護層開挖以后，上覆巖層產生的運動變形明顯大于底板，但是底板也會產生明顯的變形，所不同的是，底板產生最大變形的區域明顯滯后于上保護層工作面一段距離。隨著保護層的繼續被開采，被開挖的保護層頂底板內將形成塑性變形區域。在上保護層的頂底板形成的塑性變形區域會隨著開挖距離的增大而增大。被保護層內也將受到明顯的塑性變形的影響，如果被保護層中高瓦斯或者有突出傾向的煤層，其內部的瓦斯壓力將被釋放出來，瓦斯將從采動產生的裂隙中不斷運移到上保護層的采空區，從而達到對保護層的卸壓釋放效果。

不同地質條件下，開采不同厚度、不同傾角以及不同力學特性上保護層，其各巖層內應力的演化并不形同。如圖4所示，a和b分別為開采保護層厚度為1.0 m和4.0 m時，開挖后其應力演化情況。

圖4中，保護層厚度不同時，上保護層開采對保護層作用的影響具有很大不同。在開挖相同距離時，上保護層厚度越大，對保護層有效采動影響的范圍越大，產生的采動卸壓作用就越明顯，越有利于被保護層的瓦斯流動和釋放。

4 結語

該文利用數值模擬對義安煤礦2#煤層上保護層開采進行了模擬，得到結論如下：

（1）保護層開采后，被保護層產生了明顯的塑性變形，其內部的瓦斯將由保護層向采空區運移，達到卸壓的目的。

（2）開采保護層厚度越大，采動影響范圍越大，卸壓作用越明顯。

（3）通過FLAC軟件所獲得的模擬結果是具有指導意義的，把模擬結果與生產實踐相結合，將有助于實現高瓦斯及突出礦井的安全高效生產。

參考文獻

[1]程遠平，周德永，俞啟香，等.保護層卸壓瓦斯抽采及涌出規律研究[J].采礦與安全學報，2006，23（1）：12-18.

[2]石必明，俞啟香，王凱.遠程保護層開采上覆煤層透氣性動態演化規律試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25 （9）：1917-1921.

[3]王文.遠距離下保護層開采卸壓增透特性研究[D].焦作：河南理土大學，2009.

[4]王永秀，齊慶新.華豐礦保護層開采數值模擬研究[J].煤礦開采，2003（12）：4-7.

[5]石必明，劉澤功.保護層開采上覆煤層變形特性數值模擬[J].煤炭學報，2008，

33（1）：17-22.

[6]彭文斌.FLAC3D使用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7]劉夕才.軟巖巷道變形的粘彈塑性有限元分析[J].中國礦業，1996，5（2）：43-47.