煤柱對被保護層卸壓效果影響數值模擬研究

盧衛軍

(山西煤炭運銷集團 華陽煤業有限公司，山西　晉城　048017)

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·試驗研究·

煤柱對被保護層卸壓效果影響數值模擬研究

盧衛軍

(山西煤炭運銷集團 華陽煤業有限公司，山西晉城048017)

為了研究保護層工作面留設不同寬度煤柱時，被保護煤層工作面卸壓效果，本文以某煤礦1個保護層工作面為研究背景，利用FLAC3D數值模擬分析軟件，獲得不留設煤柱、留設煤柱分別為5 m、10 m、15 m時工作面膨脹變形量，得出隨著煤柱寬度的增加，被保護層工作面的卸壓效果越來越弱。該結論可以為被保護煤層工作面的卸壓瓦斯抽采提供依據，對于其他條件類似的工作面具有參考意義。

保護層；數值模擬；區段煤柱；卸壓效果

保護層開采技術是防止煤與瓦斯突出最經濟、最有效的治理方法[1-3]. 某煤礦為高瓦斯礦井，主采煤層為9煤層和15煤層，9煤層和15煤層都是緩傾斜煤層，煤層傾角達到了22°. 9煤層結構簡單，煤層平均厚度7.67 m，是煤與瓦斯突出煤層。15煤層上距9煤層57 m，煤層平均厚度1.9 m，賦存較穩定，為單一煤層，其瓦斯含量不大，為無突出危險煤層。因此，可利用保護層開采技術治理9煤層的瓦斯突出問題。為了更好地研究保護層不同寬度區段煤柱開采效果，需要對被保護層工作面膨脹變形量變化規律進行研究，進而優化被保護層的瓦斯治理措施。因此，本文通過數值模擬研究保護層不同寬度區段煤柱對被保護層工作面卸壓效果的影響，為被保護層工作面的瓦斯治理提供依據。

1　FLAC-3D數值模型的建立

本次數值模擬按照該煤礦的地層條件，利用FLAC-3D軟件進行建模。模型共分15層，模型長度360 m，寬度320 m，高317.2 m.綜合模擬的邊界效應按實際情況考慮，煤層和巖層傾角設定為22°，保護層15煤層采高設為1.9 m，被保護層9煤層為7.67 m.模型共包括70 850個單元。

模型的左、右、前、后及底面均為位移約束為零固定邊界，上部邊界不約束，為自由邊界。上邊界施加相應載荷10 MPa，模型重力加速度設置為9.8 m2/s.本構建模型采用FLAC3D摩爾庫倫模型。綜合模擬的邊界效應按實際情況考慮，數值模擬中保護層15煤層工作面采高1.9 m，沿走向開采，工作面寬度120 m，長度200 m.走向兩側留設煤柱各60 m，傾向兩側留設煤柱根據方案不同，數值不同，最少50 m.工作面每推進50 m為1個開采循環，迭代時步2 000，共4個開采循環。

2　保護層開采模擬結果分析

模擬分析不留設煤柱和留設5 m煤柱、10 m煤柱和15 m煤柱之后的應力變化規律。《防突規定》中指出，當膨脹變形量大于3‰時，被保護層可得到足夠的卸壓增透效果[4,5].

2.1被保護煤層工作面位移量分析

保護層開采過后，受采動卸壓的影響，被保護煤層外部應力失衡，煤層由最初在三向壓力下的壓縮狀態轉為膨脹變形，并在自身重力的作用下向采空區方向陷落并發生移動變形。

被保護煤層工作面沿傾向垂直位移變化曲線見圖1，橫坐標為工作面寬度，0 m處于工作面上輔巷處，1個工作面寬度為120 m，縱坐標為煤層位移量。當開采1個工作面時，位于工作面上方的9煤層下沉，最大下沉量出現在80 m處，為406 mm.由于煤層是傾斜的，下輔巷預留煤柱上方的9煤層下沉量明顯比上輔巷大。無煤柱開采兩個工作面后，9煤層的位移量顯著增大，最大下沉量為1 180 mm，在135 m處。由于開采范圍的擴大，相比1個工作面，上下輔巷預留煤柱上方的位移量也明顯增大。在留設5 m、10 m和15 m煤柱情況下，開采兩個工作面，由于煤柱的影響，使得9煤層的垂直位移量相比無煤柱時明顯減少，煤柱越大，位移量越小。5 m煤柱時，8煤層的最大下沉量在185 m處，為827 mm；10 m煤柱時，9煤層的最大下沉量在195 m處，為791 mm；15 m煤柱時，8煤層的最大下沉量在205 m處，為716 mm.

圖1　被保護煤層工作面沿傾向垂直位移變化曲線圖

2.2被保護煤層工作面卸壓效果分析

煤層膨脹變形率常作為保護層效果考察指標來說明煤層的裂隙發育狀況。膨脹變形量越大，裂隙發育越良好，煤層透氣性增加越明顯，瓦斯解吸流動性越強，煤層的卸壓效果越好。

開采1個工作面被保護層工作面膨脹變形量見圖2，當開采1個工作面時，9煤層膨脹變形量最大為6.0‰，大于3‰的為虛橫線上方，長度為85 m，這85 m的距離獲得了充分的卸壓增透效果，占工作面寬度的63%，沒有達到1個工作面布置的要求。根據計算可得上輔巷卸壓角為55°，下輔巷卸壓角為84°.工作面兩側煤柱上方的被保護煤層被壓縮，且由于是傾斜煤層，下輔巷預留煤柱上方的9煤層壓縮變形量明顯比上輔巷大，壓縮變形量最大為1.3‰.煤層壓縮變形，表明其處于支撐應力區，煤與瓦斯突出危險性增大。壓縮變形區和充分卸壓區存在1個過渡區，過渡區內的煤層地應力低于原始應力，煤層具有一定的膨脹變形，也顯示出一定的卸壓效果，但其膨脹變形量小于3‰，其卸壓增透效果低于充分卸壓保護范圍的煤體。

開采2個工作面無煤柱被保護層工作面膨脹變形量見圖3，當無煤柱開采2個工作面時，由于傾向上煤層的開采范圍擴大，9煤層的最大膨脹變形量明顯增大，9煤層膨脹變形量最大為8.0‰.膨脹變形大于3‰的范圍也增大很多，長度約為180 m，占工作面寬度的75%.且兩側煤柱上方煤層的壓縮程度也明顯比1個工作面的大，壓縮變形量最大為2.2‰,該區域的煤與瓦斯突出危險性比1個工作面時增大。

圖3　開采2個工作面無煤柱被保護層膨脹變形量示意圖

在留設5 m、10 m和15 m煤柱的情況下，開采2個工作面被保護層工作面膨脹變形量，示意圖見圖4～6.

圖4　5 m煤柱時被保護層工作面膨脹變形量示意圖

圖5　10 m煤柱時被保護層工作面膨脹變形量示意圖

由圖4～6可知，由于煤柱的影響，9煤層的膨脹變形量相比無煤柱時明顯減少。2個工作面留設煤柱上方的9煤層膨脹變形量相比兩側也明顯減小，煤柱越長，減少的越多。5 m煤柱時，此處9煤層的最小膨脹變形量為4.3‰；10 m煤柱和15 m煤柱時，煤柱上方的9煤層產生一定的膨脹變形，顯示出一定的卸壓增透效果，但其膨脹變形量小于3‰，為2.6‰和1.8‰，長度約為30 m和50 m，其卸壓增透效果低于充分卸壓保護范圍的煤體。

圖6　15 m煤柱時被保護層工作面膨脹變形量示意圖

3　結　論

根據被保護煤層工作面位移量和被保護煤層工作面卸壓效果分析可知，隨著煤柱寬度的增加，對被保護層的工作面的卸壓效果影響增大，被保護煤層工作面的卸壓效果也越來越弱。5 m煤柱時，膨脹變形量為4.3‰；10 m煤柱時，膨脹變形量為2.6‰；15 m煤柱時，膨脹變形量為1.8‰,5 m煤柱時，被保護層工作面最小膨脹變形量為4.3‰，超過3‰，工作面能夠充分卸壓，煤柱不會對被保護層相應煤體的開采帶來不利影響。

[1]程遠平．煤礦瓦斯防治理論與工程應用[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2010:1-10.

[2]俞啟香，程遠平．礦井瓦斯防治[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2012:12-16.

[3]王海峰．采場下伏煤巖體卸壓作用原理及在被保護層卸壓瓦斯抽采中的應用[D]．徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[4]國家安全生產監督管理總局．保護層開采技術規范[M]．北京：煤炭工業出版社，2009:2-7.

[5]石必明．遠距離下保護層開采上覆煤層變形及透氣性變化規律的研究[D].徐州：中國礦業大學,2004.

Numerical Simulation Study on the Effect of Coal Pillar to the Pressure Relief Effect of Protective Layer

LU Weijun

To study the pressure relief effect of protective coal seam working face in different coal pillar width of protected coal seam working face, a coal mine protective layer working face is as the engineering background, using FLAC3D numerical simulation analysis software, expansive deformation of working face are obtained, It is concludes that with the increase of coal pillar width, the pressure relief effect of protective layer more and more weak. It can provide a basis for protective coal seam working face pressure relief gas drainage and has a

ignificance for other similar conditions working face.

Protective layer; Numerical simulation; Section coal pillar; Effect of pressure relief

2016-05-15

盧衛軍(1972—)，男，山西晉城人，1995年畢業于山西省煤炭中等專業學校，注冊安全工程師，主要從事采礦技術管理工作

(E-mail)ww527473175@163.com

TD713

A

1672-0652(2016)06-0046-03