遠距離采動被保護層移動變形及卸壓效應研究★

滕廣平　關燕鶴　張　建

(湖南工學院安全與環境工程學院，湖南衡陽　421002)

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·巖土工程·地基基礎·

遠距離采動被保護層移動變形及卸壓效應研究★

滕廣平關燕鶴張建

(湖南工學院安全與環境工程學院，湖南衡陽421002)

摘要:采用UDEC數值模擬的方法，分析了遠距離采動被保護層垂直應力、垂直位移的變化及分布規律，研究了被保護層的卸壓范圍和程度，研究表明，遠距離下保護層開采能夠有效地對煤層卸壓，增大煤層透氣性，為遠距離下保護層瓦斯治理提供依據。

關鍵詞:數值模型，垂直應力，卸壓，下沉移動

0　引言

近年來，我國煤礦事故數量正在逐年減少，安全生產形勢保持平穩趨勢并趨向好轉［1］，但我國煤礦開采呈現出開采深度大、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、煤層透氣性低的特點，再加上地質條件復雜，在一定條件下很容易發生煤與瓦斯突出動力現象［2］。對于有煤與瓦斯突出危險的煤層，采用保護層開采結合對被保護層進行卸壓瓦斯抽采技術，可強化保護效果，達到降低被保護煤層瓦斯壓力和含量的目的，消除其突出危險性，實現高瓦斯煤層低瓦斯狀態下開采［3］。本文以淮南礦業集團丁集煤礦為研究背景，研究遠距離采動被保護層移動變形及卸壓效應，為被保護層的瓦斯治理和開采提供依據。

1　煤層賦存情況

丁集煤礦位于安徽省淮南市，設計年生產能力500萬t，全井田共劃分為兩個開拓水平，井田賦存可采煤層9層，平均總厚度24．1 m，賦存較穩定，為煤與瓦斯突出礦井，煤巖體柱狀示意圖見圖1。

圖1　丁集煤礦煤巖體柱狀示意圖

2　UDEC數值模型的建立

本文主要研究下保護層11-2煤開采后，上覆被保護層13-1煤層應力、下沉移動規律。下保護層11-2煤采出后，其頂板覆巖移動、變形遠大于底板［4］，11-2煤層頂板上覆巖層為模型的主體范圍。因此，數值模型實際覆蓋的煤巖體范圍為11-2煤底板下50 m至頂板以上380 m。數值模型的始采線距模型左邊界100 m，終采線距模型右邊界100 m，11-2煤層的開采方向從左到右，開采長度為300 m，本數值模型的寬度為500 m，高度430 m。數值模擬建立模型如圖2所示。

圖2　數值模擬力學模型（單位：m）

2．2力學參數的選擇

根據丁集礦1422(1)工作面實際巖體力學特性，確定煤巖體和巖層節理面的力學參數，如表1，表2所示。

表1　煤巖體的物理參數

表2　巖層節理面的物理力學參數

本文模型均采用Mohr-Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞，并且均不考慮塑性流動(不考慮剪脹)。Mohr-Coulomb屈服準則其判別表達式為:

式中:σ1——最大主應力;

σ3——最小主應力;

C——巖體的粘結力;

σt——巖體抗拉強度。

礦體與頂底板圍巖界線清楚[13]，產狀與圍巖一致。礦石具明顯的條紋、條帶狀構造顯示出受變質的沉積巖的特征。

當fs=0時，巖體發生剪切破壞;當ft=0時，巖體發生張拉破壞。

3　模擬結果與分析

本模型的幾何尺寸:500 m×430 m，考慮到計算機性能和運算速度的限制，沒包括埋深500 m以上的覆巖，模型上部為應力邊界，應力為均布載荷，其大小為覆巖厚度乘以巖體容重，本文取值10 MPa。垂直應力的大小與巖層埋深相關，處于同一深度的巖層應力相等。本模型的應力范圍10 MPa～17 MPa。開采段的煤巖應力為16 MPa～17 MPa。因此原巖應力在沒有采動影響的條件下，呈條帶狀分布。

為跟蹤分析11-2煤開采過程中被保護層13-1煤層應力、下沉移動規律，在數值模擬開采過程中需要提取出關鍵數據，以分析得到煤巖層應力及移動變形的內在規律。因此，在13-1煤中布置了橫向觀測線，以觀測煤層垂直應力、垂直位移等參數在工作面推進方向上的變化。

3．1被保護煤層的垂直應力變化規律

對模擬結果進行處理，由圖3可知，隨著開采范圍的擴大，13-1煤應力降低范圍逐漸擴大，應力降低幅度也隨之增大。當工作面開采50 m時，13-1煤應力在11 MPa～17 MPa之間，最小應力位于采空區中部，應力降低幅度達35．2%;當工作面開采100 m時，應力在2 MPa～19．2 MPa之間，應力降低幅度達89．6%;當工作面開采150 m時，應力在2．06 MPa～22．66 MPa之間，應力降低幅度達90．9%;當工作面開采200 m時，應力在2．19 MPa～25．61 MPa之間，應力降低幅度達91．4%;當工作面開采250 m時，應力在2．1 MPa～27．8 MPa之間，應力降低幅度達92．4%;當工作面開采300 m時，應力在2．2 MPa～28．39 MPa之間，應力降低幅度達92．3%，卸壓效果非常明顯。此外，13-1煤的應力降低范圍明顯大于其開采范圍。

圖3　被保護層13-1煤應力變化曲線

因此，開采11-2煤后能引起13-1煤的卸壓增透效應，對13-1煤形成保護效果。在采空區上方一定范圍內的13-1煤呈現出卸壓狀態，煤體相互作用力減弱，孔隙膨脹，裂隙擴張，煤體的滲透容積增加，煤層透氣性大幅度增加［5-7］。

3．2被保護煤層的下沉移動規律

由圖4可知，13-1煤下沉移動位移變化曲線呈倒“V”形，左右基本對稱。工作面推進距離較小時，13-1煤受采動影響小，卸壓范圍不明顯。隨著工作面推進距離的增大，開采范圍越來越大，13-1煤的下沉位移量越來越大，采空區中部最大，尤其是卸壓范圍的擴大，這說明隨著11-2煤層開采長度的增加對上覆13-1煤層形成的保護效果越來越好。如工作面推進50 m時，13-1煤受采動影響不大，幾乎沒有下沉移動;開采100 m時，13-1煤最大下沉量0．26 m;開采200 m時，13-1煤最大下沉量2．27 m;開采300 m時，13-1煤最大下沉量2．62 m。此外，下保護層11-2煤層的開采已引起被保護層13-1煤層的松動，卸壓范圍大于保護層開采范圍，如果加大未充分卸壓區煤體瓦斯抽采力度仍可擴大保護范圍。

圖4　被保護層13-1煤位移變化曲線

4　結語

通過遠距離下保護層開采的數值模擬研究，全面地獲得了被保護層的垂直應力和位移變化以及分布規律，主要得出以下結論:

1)隨著開采范圍的擴大，13-1煤應力降低范圍逐漸擴大，應力降低幅度也隨之增大。工作面開采50 m～300 m的過程中，應力降低的最大幅度由35．2%上升到92．3%，卸壓效果明顯。2)隨著工作面推進距離的增大，13-1煤的下沉位移量逐漸增加，卸壓范圍逐步擴大，煤體相互作用力減弱，孔隙膨脹，裂隙擴張，煤層透氣性大幅度增加。

參考文獻:

［1］陳娟，趙耀江．近十年來我國煤礦事故統計分析及啟示［J］．煤炭工程，2012(3):137-139．

［2］ 周世寧．關于《煤礦安全生產》的匯報．周世寧院士向溫家寶總理的匯報［Z］．2005．

［3］ 程遠平，俞啟香．煤層群煤與瓦斯安全高效共采體系及應用［J］．中國礦業大學學報，2003，32(5):471-475．

［4］孟攀，程遠平，王海峰，等．地面鉆井失效原因分析及優化［J］．煤礦安全，2012，43(4):165-172．

［5］ 李樹清，龍祖根，羅衛東，等．煤層群下保護層開采保護范圍的數值模擬［J］．中國安全科學學報，2012，22(6):34-40．

［6］ 劉三鈞，林柏泉，高杰，等．遠距離下保護層開采上覆煤巖裂隙變形相似模擬［J］．采礦與安全工程學報，2011，28(1): 51-60．

［7］ 宋衛華，趙健，劉晨陽，等．近距離下保護層開采卸壓效果及可行性分析［J］．遼寧工程技術大學學報，2016，35(10): 1-6．

中圖分類號:TD713

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0048-02

收稿日期:2016-04-09★:湖南工學院科研啟動基金資助(項目編號:HQ14015)

作者簡介:滕廣平(1989-)，男，助教;關燕鶴(1988-)，女，助教;張建(1988-)，男，助教

Research on moving deformation and pressure relief effect of long distance mining protection layer★

Teng GuangpingGuan YanheZhang Jian
(Safety and Environmental Engineering School，Hunan Institute of Technology，Hengyang 421002，China)

Abstract:Used the UDEC numerical simulation method，analyzed the vertical stress，vertical displacement variation and distribution law of long distance mining protection layer，researched the relief pressure range and extent of protection layer，researched showed that，protection layer mining under long distance could effectively provide basis for coal seam pressure relief，coal seam permeability increase，long distance protection layer gas control．

Key words:numerical simulation，vertical stress，pressure relief，subsidence movement