近距離上保護層采動效應的數值模擬及分析

高 翔，龍 賀

(1.山西汾西礦業集團 柳灣煤礦，山西 孝義 032303；2.山東井亭實業有限公司 生產技術部，山東 棗莊 277525)

·試驗研究·

近距離上保護層采動效應的數值模擬及分析

高 翔1，龍 賀2

(1.山西汾西礦業集團 柳灣煤礦，山西 孝義 032303；2.山東井亭實業有限公司 生產技術部，山東 棗莊 277525)

為了確定近距離上保護煤層開采對下部煤層的影響，通過數值模擬建立了基于某礦3527工作面的分析模型，通過分析上層煤開采過程中圍巖應力、被保護層保護區域頂底板應力、保護層與被保護層頂底板位移變化等參數，確定3527近距離上保護層工作面回采時，底板位移最大變形量為66 mm，被保護層被保護區域內頂板的位移變化量為15～57 mm，底板的位移變化量為12～47 mm，該方案可以為確定合理煤層群開采提供指導。

上保護層；煤層群；應力分布；位移變化；數值模擬

在開采近距離高瓦斯煤層群時，首先開采具有突出危險性的上煤層，并通過上煤層采用穿層鉆孔，對下層煤進行瓦斯抽采，該上層煤稱為高瓦斯煤層的保護層，高瓦斯煤層為被保護煤層。該方案是防治近距離煤層突出危險的經濟有效的方法。通過數值模擬軟件對保護層采動效應進行數值模擬，可以為工程實踐提供參考。

1 模型建立

數值模型的建立應根據工程現場的實際情況并結合相關專業研究理論進行。礦井近距離上保護層開采期間，未對上保護層開采的卸壓角進行過實測，因此，保護層沿傾向方向卸壓角以及卸壓范圍參照《防治煤與瓦斯突出規定》(2009 年版)的要求進行選取。

某礦3527近距離上保護層工作面煤層傾角平均20°，當上保護層傾角為20°時，保護層沿傾斜方向卸壓角按75°選取。保護層工作面沿傾斜方向的保護范圍示意圖見圖1.

圖1 保護層工作面沿傾斜方向保護范圍示意圖

3527近距離上保護層工作面回采長度78 m，平均可采厚度1.30 m，埋深385～455 m，取平均埋深420 m，II煤近距離上保護層與III煤平均間距在10～15 m，根據近距離上保護層工作面回采長度、煤層賦存埋深以及近距離上保護層與被保護層層間距，建立3527近距離上保護層工作面回采期間，底板煤巖層應力和位移變化的數值模型，并進行數值模擬。工作面相關參數見表1.

表1 試驗工作面相關參數表

在CAD中繪制出近距離上保護層開采期間應力、位移模型，通過COMSOL與CAD連接，將模型導入COMSOL.根據設置的數值模型和現場實際情況，采用COMSOL模擬軟件中的固體力學模塊進行數值模擬，固體力學模型方程表述形式如公式(1)所示：

-▽·σ=F·v

(1)

根據固體力學數值模型，模擬受應力載荷作用下應力、位移的變化分布情況。模擬時，煤巖層視為彈塑性理想體，采動過程中煤巖層變形服從德魯克-普拉格(Drucker-Prager，簡稱D-P準則)屈服條件，將模型的左右邊界設定為固定邊界，輥支撐結構，模型上邊界受到采動影響發生位移變化，設定為自由邊界，下邊界設定為固定邊界，根據礦井煤層賦存特征、上覆巖層巖性、煤層埋藏深度，通過q=∑ρgh計算工作面平均應力載荷，其中，ρ為上覆巖層的平均密度，取平均值2 500 kg/m3，g為重力加速度，計算得出3527近距離上保護層工作面平均應力載荷10.50 MPa. 近距離上保護層開采底板煤巖層采動效應見表2.

表2 近距離上保護層開采底板煤巖層采動效應表

2 應力分布數值模擬分析

根據近距離上保護層底板煤巖層采動效應數值模擬模型、相關參數以及相關條件設定，對近距離上保護層底板煤巖層采動效應進行數值模擬，3527近距離上保護層開采期間，應力分布數值模擬云圖見圖2，圖3.

圖2 近距離上保護層開挖時應力分布云圖1

圖3 近距離上保護層開挖時應力分布云圖2

從圖2，圖3可以看出：3527近距離上保護層開采期間，沿工作面傾斜方向，離底板越近應力變化幅度越大，離底板越遠變化幅度越小，反映出近距離上保護層開采期間，煤巖層應力隨著距煤層底板垂直距離的加大，呈現減弱、緩和的趨勢。

位于近距離上保護層采空空間下部的底板煤巖層應力變化沿深度方向呈“V”字形分布，即采空區下部中間部位煤巖層應力減小程度最大，隨著距采空區中心距離的增大，應力減小程度逐漸降低，位于近距離上保護層回采巷道影響區內的煤巖層，所承受的應力增大，出現應力集中。

3 被保護層被保護區域頂底板應力變化

3527近距離上保護層開采期間，III號煤層受采動影響的被保護區域內煤層頂板、底板所受壓應力分布數值模擬曲線圖見圖4.

從圖4可以看出：沿煤層傾向方向，位于保護層采空區中部區域的被保護層卸壓程度最大，隨著距離采空區中部位置距離的增大，卸壓程度呈減緩趨勢。

4 保護層底板和被保護層頂底位移變化特征

保護層開采期間，處于工作面切眼前方一定范圍內的底板煤巖層受超前應力作用壓縮，處于工作面采空區后方的底板煤巖層卸壓后向采空空間鼓起，正是由于底板煤巖層一定范圍內受采動影響而出現的變形破壞差異性，使底板煤巖層產生不同程度的裂隙。

煤層開采過后，工作面后方采空區為底板煤巖層的膨脹變形提供了較大的臨空面，使位于采空區下方底板煤巖層向采空區移動，同時，底板煤巖層在應力狀態變化的情況下，向臨空面發生變形甚至破壞。

圖4 保護層開挖時被保護層頂、底板應力變化曲線圖

保護層開采期間，不管是底板煤巖層的上下錯動，還是膨脹變形，其發生的前提條件是在上保護層開采過后，底板煤巖層位移的產生和變化。

4.1 近距離上保護層工作面底板位移變化

3527近距離上保護層工作面開采期間，保護層工作面采空區內底板位移變化曲線見圖5.

從圖5可以看出：從煤層傾向方向上看，保護層工作面采空區內底板位移變化呈“拱形”分布；根據數值模擬計算結果，當埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護層工作面回采時，底板位移最大變化量為66 mm.

圖5 被保護層采空區內沿傾向底板位移變化曲線圖

4.2 被保護層被保護區域頂底板位移變化

3527近距離上保護層工作面開采期間，被保護層被保護區域內頂板、底板的位移變化曲線見圖6.

圖6 被保護層被保護區域頂、底板位移變化曲線圖

從圖6可以看出：從煤層傾向方向上看，被保護層被保護區域內頂板和底板的位移變化呈“拱形”分布；根據數值模擬計算結果，當埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護層工作面回采時，被保護層被保護區域內頂板的位移變化量為15～57 mm，被保護層被保護區域內底板的位移變化量為12～47 m.

5 結 論

本文從保護層開采采動效應觀點出發，闡述了保護層開采期間底板煤巖層應力、位移變化特征以及滲透特性變化特征，通過相關數值計算和理論分析，得出的主要結論如下：

1) 3527近距離上保護層開采期間，位于近距離上保護層采空空間下部的底板煤巖層應力變化沿深度方向呈“V”字形分布，即位于保護層采空區中部區域的被保護層卸壓程度最大，隨著距離采空區中部距離的增大，卸壓程度呈減緩趨勢。

2) 從煤層傾向方向上看，保護層工作面采空區內底板位移變化呈“拱形”分布，當埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護層工作面回采時，底板位移最大變化量為66 mm.

3) 從煤層傾斜方向上看，被保護層被保護區域內頂板和底板的位移變化呈“拱形”分布，當埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護層工作面回采時，被保護層被保護區域內頂板的位移變化量為15～57 mm，底板的位移變化量為12～47 mm.

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TD322

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2017-06-06

高 翔(1979—)，男，山西介休人，2008年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦開采工作(E-mail)zfg3259@163.com