基于FLAC3D的保護層開采防突數(shù)值模擬分析

李文明

（山西介休義棠安益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000）

煤礦的安全受到很多因素的影響，最主要的影響因素就是煤（巖）與瓦斯。煤（巖）和瓦斯流能夠在一瞬間噴出采掘工作面，嚴重損壞井巷設施和礦井中的通風系統(tǒng)，同時引起很多的碎屑物體被拋出，堵塞工人的呼吸系統(tǒng)，大量的煤（巖）埋沒礦工，嚴重的還會引起瓦斯爆炸和火災等事故。

在煤和瓦斯突出煤層，首先挖掘的煤層作為保護層而存在，目的就是保護那些非常危險的煤層的安全，起到一種類似于屏障的作用。

1 開采上保護層煤巖體卸壓理論分析

被開采地區(qū)周圍的煤層開采后，煤巖層會向采空區(qū)發(fā)生移動，移動會破壞煤巖中長久以來的平衡關系。最好的治理方法就是降低煤層瓦斯的含量和瓦斯壓力，而要降低煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力，則要通過自然或人工強化排放卸壓瓦斯，從而達到消除煤和瓦斯突出危險的目的。保護層開采示意圖如圖1所示。

圖1 保護層開采示意圖

開采的那部分煤層或者是減少危險發(fā)生的煤層被稱為保護層。從空間上來看，上下保護層的分布情況比較容易區(qū)分。通過將非常危險的區(qū)域轉(zhuǎn)化為不是十分危險區(qū)域的方法在理論上是行得通的。

2 FLAC3D軟件的基本情況

FLAC3D技術(shù)是目前在工程方面的廣泛的通用型軟件，涉及領域包括：土木工程建設、交通設施建設、水利工程設施建設、石油及采礦工程、環(huán)境工程等。作為ITASCA軟件產(chǎn)品中的明星產(chǎn)品軟件，F(xiàn)LAC3D技術(shù)在學術(shù)界和實務界具有非常良好的聲譽，特別是在國際土木工程和巖土工程方面。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)能夠非常準確的模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

根據(jù)三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法在學術(shù)界被稱為三維快速拉格朗日法，可以有效地實現(xiàn)對巖土或其他材料的三維力學行為的模擬。三維快速拉格朗日算法在模擬大變形的問題上是非常專業(yè)的。它的計算方法是通過分析計算區(qū)域內(nèi)遵循指定的線性或其他型的本構(gòu)關系的四面體單元的若干個在給定的邊界條件的情況下的計算情況。如果在應力的作用下，材料發(fā)生了變形或產(chǎn)生塑性流動，隨著材料的變形，單元網(wǎng)格也會發(fā)生相應的改變。三維快速拉格朗日應用混合單元離散模型在分析采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程的方式，在模擬材料的屈服、塑性流動、軟化甚至是大變形方面達到了非常精確的地步。這種精確性尤其體現(xiàn)在材料模擬施工過程和材料的變形分析等多種領域。

3 上保護層開采后應力場變化規(guī)律

3.1 數(shù)值模擬模型

作為研究對象的山西介休義棠安益煤業(yè)有限公司試驗礦井的開采面以及圍巖，對于三維力學模型的數(shù)值模擬部分要求是非常高的。通過對模型縱向及傾向施加實測力的大小，初始重量作為模型自身重量，計算中運用彈塑性本構(gòu)模板測量覆巖，同時運用摩爾庫侖準則的方式，網(wǎng)格劃分情況為單元1200個，節(jié)點1200個。FLAC3D中建立的模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D數(shù)值模型建立

3.2 傾斜剖面和走向剖面應力場變化規(guī)律

關于如何減輕邊界效應的考慮，則主要是在模型的內(nèi)部構(gòu)造中進行模型的開采和挖掘，以更加清楚地顯示物理量的變化規(guī)律和采挖保護層的卸壓效果。

圖3 7#煤層開挖200m時沿傾斜剖面鉛直應力場

圖 4 11#煤層開挖180m時沿傾斜剖面鉛直應力場

圖5 7#煤層開挖200m時沿走向剖面鉛直應力場

圖6 11#煤層開挖300m時，沿走向剖面鉛直應力場

分析以上的模擬結(jié)果，可以得出以下的結(jié)論：

（1）壓力值最小的區(qū)域為保護層采空區(qū)的中部地段，在保護層的采空區(qū)中部地段開采時卸壓效果最好，也能最大程度地影響采動，煤層的滲透性達到最好的情況就是煤層的采動裂隙是比較大的。

（2）應力值也比較小，采空區(qū)中部地段的應力作用力的大小是明顯低于周圍煤層的作用力的。甚至于在采空區(qū)的上方很有可能達到壓力值為0的情況，這說明這個區(qū)域內(nèi)卸壓是非常充分的。因此，也極有可能形成非常密集的采動裂隙地帶，原始煤巖體的滲透率在整個煤層中的滲透率是非常低的。因此，為了保證安全，在進行瓦斯抽放時，應該將鉆孔的位置放置在該區(qū)域內(nèi)。

（3）上覆煤巖體的卸壓效果在所有煤巖體的卸壓效果中是非常明顯的，尤其是開采保護層方面。開采保護層時，保護層底板側(cè)巖體的卸壓影響程度沿煤層的垂直方向大概能達到40m的范圍，這種情況下，會形成比較多的采動裂隙。同時，比較大的煤巖體的滲透率，在這個區(qū)域也是非常明顯的。

4 結(jié)論

通過研究保護層開采后應力場的數(shù)值模擬，可以清晰地發(fā)現(xiàn)：隨著工作面的不斷推進，位移量逐漸增大的上覆煤層的采挖工作對于采動裂隙形成的作用比較大，采動影響程度也會比較大。下方煤巖體位置的移動情況要小于上方煤巖體的移動情況，采動裂隙的分布也會比較疏松；在開采范圍內(nèi)上覆巖層向下的垂直位移是非常明顯的。上覆巖的傾斜方向的變化比較大，這就形成了不斷擴大的塑性區(qū)域范圍，煤巖體的裂隙也會因此而有所增加，滲透性也在逐步增強。