遠距離下保護層開采卸壓效果數值模擬研究

方家虎高 雅張 洋甄子超李 志

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區,100083; 2.河南省地質礦產勘查開發局第三地質礦產調查院,河南省信陽市,464000)

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遠距離下保護層開采卸壓效果數值模擬研究

方家虎1高 雅1張 洋2甄子超1李 志1

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區,100083; 2.河南省地質礦產勘查開發局第三地質礦產調查院,河南省信陽市,464000)

摘 要以蘆嶺煤礦遠距離下保護層(即Ⅲ11軟巖工作面)開采作為工程背景,采用FLAC3D數值模擬技術,通過對虛擬監測點數據的統計分析,研究了下保護層開采過程中被保護8(＃)煤層的應力變化規律、膨脹變形程度及瓦斯壓力變化規律。模擬結果顯示:隨保護層開采范圍的不斷增大,8(＃)煤層垂直應力、最大主應力及最小主應力變化量均超過10％;厚度變形量超過3‰;且在保護層開采中后期8(＃)煤層瓦斯壓力低于國家防突規定的臨界值0.74 MPa,表明下保護層開采對被保護的8(＃)煤層起到卸壓保護作用。

關鍵詞下保護層開采 應力變化 煤層膨脹變形 瓦斯壓力 卸壓效果

Numerical simulation study on stress release effect of remote underside protective seam mining

Fang Jiahu1,Gao Ya1,Zhang Yang2,Zhen Zichao1,Li Zhi1
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.No.3 Institute of Geological&Mineral Resources Survey of Henan Geological Bureau,Xinyang,Henan 464000,China)

Abstract Taking remote underside protective seam(Ⅲ11 soft rock face)mining in Luling Coal Mine as engineering background,using FLAC 3D numerical simulation technique and through statistical analysis of virtual monitoring points,the stresses change law,swelling deformation degree and gas pressure change law of the protected No.8 coal seam in the process of remote underside protective seam mining were studied.Simulation results showed that with the increasing of protective seam mining areas,the variation of vertical stress,maximum principal stress and minimum principal stress of the No.8 coal seam were all more than 10％,the thickness deformation was more than 3‰,and in the middle and later periods of protective seam mining,the gas pressure of the No.8 coal seam was lower than the critical value of state burst prevention regulation 0.74 MPa,which indicated that the underside protective layer mining played a important role in pressure releasing and protection of the protected No.8 coal seam.

Key words underside protective seam mining,stress change,swelling deformation of seam,gas pressure,stress release effect

1　前言

目前,我國煤與瓦斯突出防治的區域性措施有開采保護層、預抽煤體中的瓦斯和煤層注水.其中開采保護層是最經濟、最有效的方法.開采保護層主要目的是增大煤層的膨脹變形,對保護層進行卸壓,增大煤層的透氣性,降低被保護層瓦斯能量.

當前煤礦多會選擇開采與突出煤層鄰近而又無突出危險的煤層作為保護層,且對于保護層開采的研究也多集中在礦山壓力的卸除作用,對軟巖保護層開采卸壓效果的研究鮮有報道.因此,本文以蘆嶺煤礦遠距離軟巖下保護層開采為工程背景,利用FLAC3D軟件數值模擬研究結果為依據,對軟巖保護層開采卸壓效果進行綜合分析.

2　研究區地質概況

研究區內主采煤層為8＃、9＃、10＃煤層,8＃、9＃煤層有嚴重的突出危險性,10＃煤層的突出危險性次之.礦方經過多次研究論證,選擇在10＃煤層至9＃煤間開采一層軟巖,作為本區域8＃煤層的下保護層(即Ⅲ11軟巖工作面).

保護層為泥巖巖層,厚度3～7 m,呈層狀、似層狀,單斜產狀,走向呈近東西向,傾角15°～52°.沿傾向上部較下部薄,傾向上厚度變化相對穩定.8＃煤層厚6.28～13.25 m,保護層與8＃煤層底板間法距58～68 m,8＃、9＃煤層與10＃煤層間平均法距為84 m,研究區8＃煤層與保護層相對位置示意圖見圖1.

圖1　保護層與煤層相對位置示意圖

3　數值模擬模型的建立

3.1數值計算模型

根據蘆嶺煤礦Ⅲ11巖石工作面的實際情況,結合研究區的地質測繪成果及各巖層資料,利用FLAC3D數值模擬軟件建立了研究區三維數值模擬模型.

為了降低邊界條件對模擬結果的影響,模型前后、左右各預留100 m的保護煤(巖)柱,模型的大小為400 m×320 m×323 m.模擬開采工作面長度為200 m,采高為5.1 m,開采步距為10 m/步,開采分20個階段進行.在FLAC3D軟件平臺下,通過Fish語言對研究區的單元體層位進行識別,模型共劃分出84480個單元,90651個節點,保護層開采模型如圖2所示.

圖2　保護層開采模型示意圖

在模型前后和左右邊界,采用零位移邊界條件,具體處理如下:前后和左右邊界取u＝0,v≠0(u為x方向位移,v為y方向位移),即單約束邊界;下部邊界取u＝v＝0,為全約束邊界;頂面受上覆土層地應力,按照至地表的土體自重施加垂直方向上的荷載.

3.2巖石力學參數

通過對礦方提供的巖石力學試驗參數的遴選,綜合分析得到研究區各巖層物理力學參數,見表1.

表1　保護層開采地質模型各巖層物理力學參數

4　數值模擬結果及分析

4.1覆巖應力場與位移場變化規律

保護層開采后,其上覆巖層會發生破壞和位移,位于不同層位的巖層,其變形與破裂形態有較大差異.由于覆巖變化中伴隨著8＃煤層瓦斯的運移,所以,研究保護層開采后覆巖“上三帶”分布規律對被保護煤層瓦斯防治具有重要意義.

本次在保護層頂板以上覆巖層內布置了8個虛擬監測點,記錄其應力場及位移場的變化,監測點分別位于保護層頂板以上2.98 m、17.78 m、37.76 m、49.67 m、55 m、67.49 m、74.8 m及172.8 m處.通過對監測數據處理分析得出保護層開采后覆巖應力和位移變化規律.

4.1.1覆巖應力變化分析

以保護層工作面的推進距離為橫坐標,模擬監測點垂直應力為縱坐標,作出保護層開采覆巖垂直應力變化曲線,如圖3(a)所示.

圖3　保護層開采覆巖垂直應力和位移隨工作面推進變化曲線

隨著工作面向前推進,各監測點處應力的總體變化趨勢為先緩慢上升到達峰值后,迅速下降應力釋放,覆巖卸荷膨脹變形,產生裂隙,最后應力趨于新的平衡.2.98 m與17.78 m處覆巖在工作面推進到80 m左右時達到峰值,且當工作面推進到100 m處時,2.98 m、17.78 m處覆巖出現應力釋放,應力值迅速降至接近0,之后也沒有明顯地隨著工作面的推進而回升,說明此處巖層已經嚴重破壞,形成卸壓區,位于垮落帶內,裂隙很多.而位于49.67～74.8 m處覆巖的垂直應力變化比較一致,由于距離保護層遠,相對2.98 m及17.78 m處覆巖,應力變化幅度也較小,表明其受采動影響也較小,即處于彎曲下沉帶內.而距保護層172.8 m處覆巖的應力場基本沒有變化,受采動影響非常微弱.已知8＃煤層底板距保護層58～68 m,分析可得被保護的8＃煤層位于彎曲下沉帶內.

4.1.2覆巖位移變化分析

以保護層工作面的推進距離為橫坐標,模擬監測點垂直位移為縱坐標,作出保護層開采覆巖垂直位移變化曲線,如圖3(b)所示.各監測點處的垂直位移出現明顯的分組增長規律,其中,由于距保護層較近,2.98 m與17.78 m處覆巖的垂直位移最大,垂直位移量最大可達到1.215 m;49.67 ～172.8 m內5個監測點處覆巖的垂直位移增加幅度最小,表明有裂隙產生,但不發育,位移變化具有同步性;37.76 m處覆巖的垂直位移量居中.由此可見在17.78 m與37.76 m間產生穿層裂隙,37.76 m與49.67 m間出現了離層裂隙,最大離層量約0.267 m,被保護的8＃煤層瓦斯主要集中運移到離層裂隙中.

而從工作面的位置與各監測點處覆巖的垂直位移量的關系來看,隨著工作面的推進,覆巖垂直位移緩慢增大,在工作面推進到80～100 m時,垂直位移的增加量很大,表明這期間內覆巖移動明顯,裂隙快速發育,之后各監測點處垂直位移增大的速率趨緩.

4.2被保護的8＃煤層應力變化分析

被保護的8＃煤層應力變化情況直接影響到煤層的膨脹變形程度.因此,通過對8＃煤層監測點應力數據的統計分析,得到相應的應力變化曲線,見圖4(a),并且在此基礎上統計出被保護的8＃煤層應力變化量,作出8＃煤層應力變化量曲線,見圖4(b).

開采初期,采動對被保護煤層的影響很小,應力分布均勻,隨著工作面的推進,影響越來越明顯,表現為應力呈集中狀態,緩慢增加,在工作面推進到80～100 m時,8＃煤層垂直應力、最大主應力及最小主應力都迅速下降,卸壓明顯,最后各應力趨于新的平衡.與應力變化情況相似,隨著工作面的推進,被保護的8＃煤層應力變化量總體趨勢是先緩慢增加,繼而出現躍變,最后趨于穩定,應力變化量在工作面推進到中部時也出現了明顯的躍變.

圖4　8＃煤層應力變化及應力變化量曲線

由于距保護層開挖面近,8＃煤層底部的垂直應力、最大主應力及最小主應力的卸壓效果要好于頂部,且由圖4可知,保護層開采前,即工作面推進至0 m時,8＃煤層垂直應力、最大主應力及最小主應力分別為14.73 MPa、11 MPa、18.06 MPa,工作面推進至200 m左右,各應力的變化量最大,分別為4.073 MPa、2.662 MPa、7.66 MPa.計算可得各應力的最大變化量分別達到27.65％、24.20％、42.40％,均超過10％.表明保護層開采后8＃煤層卸壓較充分,卸壓效果明顯.

4.3被保護的8＃煤層膨脹變形分析

《防治煤與瓦斯突出規定》中規定:突出礦井首次開采某個保護層時,應當對被保護層進行區域措施效果檢驗及保護范圍的實際考察.如果被保護層的最大膨脹變形量大于3‰,則檢驗和考察結果可適用于其他區域的同一保護層和被保護層.否則,應當對每個預計的被保護區域進行區域措施效果檢驗.因此,本次以3‰的變形量為標準對被保護的8＃煤層卸壓效果進行評價.

通過對監測點數據的統計分析,得到8＃煤層頂部、中部及底部垂直位移變化曲線及8＃煤層煤厚變化曲線,見圖5.

圖5　8＃煤層垂直位移變化曲線及煤層厚度變化曲線

如圖5(a)所示,隨著工作面的推進,8＃煤層向下的垂直位移逐漸增大,工作面推進到80～100 m時,8＃煤層垂直位移的增加速率明顯大于0 ～80 m推進段,且煤層底部的垂直位移變化量明顯大于頂部,表明保護層的開采對被保護煤層底部的卸壓效果好于頂部.

如圖5(b)所示,8＃煤層厚度變化規律與其垂直位移變化規律具有一致性,隨著工作面的推進,8＃煤層厚度變形逐漸增大,表明8＃煤層處在膨脹變形中,最后趨于穩定.圖5顯示保護層工作面開采至200 m時,8＃煤層厚度變形量最大,達到213 mm,而沒有開挖時8＃煤層平均厚8.6 m,厚度變形量可達24.76‰,遠超過《防治煤與瓦斯突出規定》的3‰,表明8＃煤層卸壓較充分.

4.4被保護的8＃煤層瓦斯壓力變化分析

根據《防治煤與瓦斯突出規定》中規定,當煤層瓦斯壓力小于0.74 MPa時,確定為無突出危險區.通過對8＃煤層瓦斯壓力數據的統計分析,繪制出8＃煤層瓦斯壓力變化曲線,見圖6.圖中顯示8＃煤層瓦斯壓力初始值4.27 MPa,在工作面0 ～80 m的推進過程中,8＃煤層瓦斯壓力呈緩慢降低的趨勢,繼而出現顯著下降,并在工作面回采到120 m左右時,8＃煤層瓦斯壓力開始低于國家防突規定的臨界值0.74 MPa,此后持續緩慢下降,瓦斯壓力趨于新平衡,表明開采保護層對于降低8＃煤層的瓦斯壓力效果良好.保護層開采中后期,煤層卸壓效果較好.

圖6　8＃煤層瓦斯壓力變化圖

5　結論

(1)隨著保護層開采范圍的不斷增大,被保護8＃煤層的卸壓效果就越明顯,保護層工作面推進到100 m左右,即保護層中部,被保護8＃煤層卸壓效果最好.

(2)隨著保護層開采范圍的增大,被保護8＃煤層處于膨脹變形中,煤層厚度變形量超過3‰,而煤層垂直應力、最大主應力及最小主應力值變化量均超過10％,且保護層開采中后期瓦斯壓力低于國家防突規定的臨界值0.74 MPa,表明保護層開采后8＃煤層卸壓效果較好.

(3)數值分析得出開采遠距離下保護層對被保護的8＃煤層起到一定的卸壓保護作用,建議在地面設計瓦斯鉆孔進行瓦斯預抽采,預計可以實現有效消突,提高瓦斯綜合利用程度.

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(責任編輯 張毅玲)

作者簡介:方家虎(1966－),男,安徽桐城人,博士,中國礦業大學(北京)副教授,研究方向為礦井地質。

中圖分類號TD353

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