远距离采动被保护层移动变形及卸压效应研究★

滕广平　关燕鹤　张　建

(湖南工学院安全与环境工程学院，湖南衡阳　421002)



·岩土工程·地基基础·

远距离采动被保护层移动变形及卸压效应研究★

滕广平关燕鹤张建

(湖南工学院安全与环境工程学院，湖南衡阳421002)

摘要:采用UDEC数值模拟的方法，分析了远距离采动被保护层垂直应力、垂直位移的变化及分布规律，研究了被保护层的卸压范围和程度，研究表明，远距离下保护层开采能够有效地对煤层卸压，增大煤层透气性，为远距离下保护层瓦斯治理提供依据。

关键词:数值模型，垂直应力，卸压，下沉移动

0　引言

近年来，我国煤矿事故数量正在逐年减少，安全生产形势保持平稳趋势并趋向好转［1］，但我国煤矿开采呈现出开采深度大、瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层透气性低的特点，再加上地质条件复杂，在一定条件下很容易发生煤与瓦斯突出动力现象［2］。对于有煤与瓦斯突出危险的煤层，采用保护层开采结合对被保护层进行卸压瓦斯抽采技术，可强化保护效果，达到降低被保护煤层瓦斯压力和含量的目的，消除其突出危险性，实现高瓦斯煤层低瓦斯状态下开采［3］。本文以淮南矿业集团丁集煤矿为研究背景，研究远距离采动被保护层移动变形及卸压效应，为被保护层的瓦斯治理和开采提供依据。

1　煤层赋存情况

丁集煤矿位于安徽省淮南市，设计年生产能力500万t，全井田共划分为两个开拓水平，井田赋存可采煤层9层，平均总厚度24．1 m，赋存较稳定，为煤与瓦斯突出矿井，煤岩体柱状示意图见图1。

图1　丁集煤矿煤岩体柱状示意图

2　UDEC数值模型的建立

本文主要研究下保护层11-2煤开采后，上覆被保护层13-1煤层应力、下沉移动规律。下保护层11-2煤采出后，其顶板覆岩移动、变形远大于底板［4］，11-2煤层顶板上覆岩层为模型的主体范围。因此，数值模型实际覆盖的煤岩体范围为11-2煤底板下50 m至顶板以上380 m。数值模型的始采线距模型左边界100 m，终采线距模型右边界100 m，11-2煤层的开采方向从左到右，开采长度为300 m，本数值模型的宽度为500 m，高度430 m。数值模拟建立模型如图2所示。

图2　数值模拟力学模型（单位：m）

2．2力学参数的选择

根据丁集矿1422(1)工作面实际岩体力学特性，确定煤岩体和岩层节理面的力学参数，如表1，表2所示。

表1　煤岩体的物理参数

表2　岩层节理面的物理力学参数

本文模型均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动(不考虑剪胀)。Mohr-Coulomb屈服准则其判别表达式为:

式中:σ1——最大主应力;

σ3——最小主应力;

C——岩体的粘结力;

σt——岩体抗拉强度。

矿体与顶底板围岩界线清楚[13]，产状与围岩一致。矿石具明显的条纹、条带状构造显示出受变质的沉积岩的特征。

当fs=0时，岩体发生剪切破坏;当ft=0时，岩体发生张拉破坏。

3　模拟结果与分析

本模型的几何尺寸:500 m×430 m，考虑到计算机性能和运算速度的限制，没包括埋深500 m以上的覆岩，模型上部为应力边界，应力为均布载荷，其大小为覆岩厚度乘以岩体容重，本文取值10 MPa。垂直应力的大小与岩层埋深相关，处于同一深度的岩层应力相等。本模型的应力范围10 MPa～17 MPa。开采段的煤岩应力为16 MPa～17 MPa。因此原岩应力在没有采动影响的条件下，呈条带状分布。

为跟踪分析11-2煤开采过程中被保护层13-1煤层应力、下沉移动规律，在数值模拟开采过程中需要提取出关键数据，以分析得到煤岩层应力及移动变形的内在规律。因此，在13-1煤中布置了横向观测线，以观测煤层垂直应力、垂直位移等参数在工作面推进方向上的变化。

3．1被保护煤层的垂直应力变化规律

对模拟结果进行处理，由图3可知，随着开采范围的扩大，13-1煤应力降低范围逐渐扩大，应力降低幅度也随之增大。当工作面开采50 m时，13-1煤应力在11 MPa～17 MPa之间，最小应力位于采空区中部，应力降低幅度达35．2%;当工作面开采100 m时，应力在2 MPa～19．2 MPa之间，应力降低幅度达89．6%;当工作面开采150 m时，应力在2．06 MPa～22．66 MPa之间，应力降低幅度达90．9%;当工作面开采200 m时，应力在2．19 MPa～25．61 MPa之间，应力降低幅度达91．4%;当工作面开采250 m时，应力在2．1 MPa～27．8 MPa之间，应力降低幅度达92．4%;当工作面开采300 m时，应力在2．2 MPa～28．39 MPa之间，应力降低幅度达92．3%，卸压效果非常明显。此外，13-1煤的应力降低范围明显大于其开采范围。

图3　被保护层13-1煤应力变化曲线

因此，开采11-2煤后能引起13-1煤的卸压增透效应，对13-1煤形成保护效果。在采空区上方一定范围内的13-1煤呈现出卸压状态，煤体相互作用力减弱，孔隙膨胀，裂隙扩张，煤体的渗透容积增加，煤层透气性大幅度增加［5-7］。

3．2被保护煤层的下沉移动规律

由图4可知，13-1煤下沉移动位移变化曲线呈倒“V”形，左右基本对称。工作面推进距离较小时，13-1煤受采动影响小，卸压范围不明显。随着工作面推进距离的增大，开采范围越来越大，13-1煤的下沉位移量越来越大，采空区中部最大，尤其是卸压范围的扩大，这说明随着11-2煤层开采长度的增加对上覆13-1煤层形成的保护效果越来越好。如工作面推进50 m时，13-1煤受采动影响不大，几乎没有下沉移动;开采100 m时，13-1煤最大下沉量0．26 m;开采200 m时，13-1煤最大下沉量2．27 m;开采300 m时，13-1煤最大下沉量2．62 m。此外，下保护层11-2煤层的开采已引起被保护层13-1煤层的松动，卸压范围大于保护层开采范围，如果加大未充分卸压区煤体瓦斯抽采力度仍可扩大保护范围。

图4　被保护层13-1煤位移变化曲线

4　结语

通过远距离下保护层开采的数值模拟研究，全面地获得了被保护层的垂直应力和位移变化以及分布规律，主要得出以下结论:

1)随着开采范围的扩大，13-1煤应力降低范围逐渐扩大，应力降低幅度也随之增大。工作面开采50 m～300 m的过程中，应力降低的最大幅度由35．2%上升到92．3%，卸压效果明显。2)随着工作面推进距离的增大，13-1煤的下沉位移量逐渐增加，卸压范围逐步扩大，煤体相互作用力减弱，孔隙膨胀，裂隙扩张，煤层透气性大幅度增加。

参考文献:

［1］陈娟，赵耀江．近十年来我国煤矿事故统计分析及启示［J］．煤炭工程，2012(3):137-139．

［2］ 周世宁．关于《煤矿安全生产》的汇报．周世宁院士向温家宝总理的汇报［Z］．2005．

［3］ 程远平，俞启香．煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用［J］．中国矿业大学学报，2003，32(5):471-475．

［4］孟攀，程远平，王海峰，等．地面钻井失效原因分析及优化［J］．煤矿安全，2012，43(4):165-172．

［5］ 李树清，龙祖根，罗卫东，等．煤层群下保护层开采保护范围的数值模拟［J］．中国安全科学学报，2012，22(6):34-40．

［6］ 刘三钧，林柏泉，高杰，等．远距离下保护层开采上覆煤岩裂隙变形相似模拟［J］．采矿与安全工程学报，2011，28(1): 51-60．

［7］ 宋卫华，赵健，刘晨阳，等．近距离下保护层开采卸压效果及可行性分析［J］．辽宁工程技术大学学报，2016，35(10): 1-6．

中图分类号:TD713

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0048-02

收稿日期:2016-04-09★:湖南工学院科研启动基金资助(项目编号:HQ14015)

作者简介:滕广平(1989-)，男，助教;关燕鹤(1988-)，女，助教;张建(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