武晉文

(陽泉煤業(yè)集團有限責任公司 二礦， 山西 陽泉 045000)

1 工程概況

二1煤層為鶴壁四礦主采煤層，位于二迭系山西組下部，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤厚4.0～15.0 m，平均7.3 m，煤層大部分為緩傾斜煤層，煤層傾角為5°～25°，平均20°.二1煤底板下50 m以內(nèi)存在4層煤，如果對其進行回采，形成下位保護層，上覆二1煤層將會得到卸壓，出現(xiàn)裂隙，煤層透氣性系數(shù)將會增加，有利于二1煤層瓦斯的抽采和消突，對二1煤層回采區(qū)域的安全、高效生產(chǎn)產(chǎn)生積極的作用。采區(qū)主要巖層及物理特性見表1.

根據(jù)該礦開采設(shè)計，選擇一8煤層先行開采，作為二1煤層的保護煤層，利用保護層開采產(chǎn)生的頂板裂隙對二1煤層瓦斯進行釋放，達到二1煤層安全開采的目的[1-2].

2 模型尺寸

本次數(shù)值模擬以下保護層3307工作面為計算模型。3307工作面采深600～650 m，煤層厚度0.2～1.2 m.

采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬隨著一8煤層的開采，上覆巖層的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的分布，主要用數(shù)值模擬的方法求得導氣裂隙帶(冒落帶、裂隙帶)的高度[3-4].

采用FLAC 3D三維立體應變模型，模擬隨著一8煤層的開采，二1煤層的膨脹變形和應力釋放效果。模型沿x軸方向取400 m，y軸方向取300 m，z軸方向取178.7 m，劃分60×80×45個單元，工作面長度為100 m，兩端各留100 m的邊界煤柱。

數(shù)值模型采用三維立體應變模型。根據(jù)地質(zhì)柱狀圖，主要模擬一8煤層(保護層)開采50 m、100 m、150 m、200 m時，上覆巖層應力分布、層間硬巖破斷規(guī)律以及二1煤層的垂直位移及膨脹變形規(guī)律。

3 被保護層的垂直應力演化規(guī)律

下保護層一8煤層工作面沿走向推進50 m、100 m、150 m、200 m后，模型上覆煤巖層垂直應力分布模擬結(jié)果見圖1；工作面沿走向推進50 m、100 m、150 m、200 m后，上覆巖層及二1煤層的垂直應力云圖，見圖2.

由圖1、圖2可知：

表1 巖體物理力學參數(shù)表

圖1 隨著下保護層工作面的推進上覆巖層垂直應力分布圖

圖2 隨著下保護層工作面的推進二1煤層垂直應力分布圖

1) 當保護層推進50 m時，上覆巖層應力分布受采動影響較小，在保護層開切眼后方及工作面前方，出現(xiàn)集中應力。此時二1煤層受采動影響程度和范圍都較小，應力變化范圍為10.2～16.7 MPa，二1煤層的最小應力為10.2 MPa，較原巖應力減少了4.8 MPa;大于10.2 MPa同時又小于12 MPa的應力范圍近似橢圓形，長軸大約為 80 m，短軸大約為40 m，可見，卸壓效應已經(jīng)發(fā)展到二1煤層高度，但卸壓效果不明顯，見圖1 a)、圖2 a).

2) 當保護層推進100 m時，在采空區(qū)上方形成一定的應力降低區(qū)域，應力降低區(qū)發(fā)展趨勢基本對稱。此時，從走向剖面上看，上覆巖層卸壓出現(xiàn)不連續(xù)的情況，分析可能是由于4.6 m的中粒砂巖強度較大，形成懸板結(jié)構(gòu)，其上覆載荷層隨之離層，導致應力降低；二1煤層的卸壓范圍較工作面推進50 m時有所擴大，應力變化為3.7～17.8 MPa.二1煤層的垂直應力3.7～10.0 MPa近似半徑為40 m的圓；小于5 MPa的范圍近似半徑為15 m的圓，見圖1b)、圖2b).

3) 當保護層推進150 m時，在采空區(qū)上方巖層的應力進一步降低，應力降低區(qū)發(fā)展趨勢基本對稱。此時，從走向剖面上看，上覆巖層卸壓等值曲線出現(xiàn)不平滑情況，分析可能是由于4.6 m的中粒砂巖阻礙了載荷層的運動；二1煤層的卸壓范圍較工作面推進100 m時有所擴大，應力變化為1.4～18.6 MPa.二1煤層的最小垂直應力在1.5 MPa附近；二1煤層小于5 MPa的范圍近似長軸為90 m且短軸為70 m的橢圓，見圖1c)、圖2c).

4) 當保護層推進200 m時，在采空區(qū)上方巖層的應力再一次降低，應力降低區(qū)發(fā)展趨勢基本對稱。此時，從走向剖面上看，上覆巖層卸壓等值曲線亦出現(xiàn)不平滑情況，分析可能是由于4.6 m的中粒砂巖對二1煤層的卸壓效果有一定影響；二1煤層的卸壓范圍較大，應力變化為1.01～17.01 MPa.二1煤層小于5 MPa的卸壓范圍近似長軸為140 m且短軸為70 m的橢圓，并且走向上有50 m的垂直應力降到了1.1 MPa，見圖1 d)、圖2 d).

另外，由圖1b)、圖1c)、圖1 d)可知，工作面開采100～200 m后上覆巖層的垂直應力出現(xiàn)不平滑的應力圖線，分析是由于工作面上方37 m處的4.6 m厚中粒砂巖強度較大造成的，由此可知，工作面上方37 m處的中粒砂巖對二1煤層的應力卸壓有一定影響。

4 被保護層膨脹變形

1) 走向方向被保護層垂直位移。

下保護層工作面開采50 m、100 m、150 m、200 m時，被保護層的垂直位移見圖3.

圖3 隨著保護層工作面的推進上覆巖層垂直位移圖

由圖3可知：

a) 當保護層推進50 m時，上覆巖層垂直變形受采動影響較小。從剖面上看，上覆巖層的下沉量有47.8 mm，二1煤層受采動影響程度和范圍都很小。可見，一8煤層工作面推進50 m造成二1煤層的垂直變形不明顯。

b) 當保護層推進100 m時，上覆煤巖層垂直變形受一8煤層采動影響較推進50 m時有一定擴大。從剖面上看，二1煤層最大的下沉量約為93 mm，垂直變形大于80 mm的等值線近似“O”形，其半徑約為30 m.

c) 當保護層推進150 m時，上覆煤巖層的垂直變形區(qū)域進一步增大，變形區(qū)域基本對稱。二1煤層的最大垂直變形為10～130 mm，但是較推進100 m時，工作面上方37 m處往上的變形較小，分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂巖強度較大，一定程度上阻礙了其上方的二1煤層垂直變形。

d) 當保護層工作面推進200 m時，上覆煤巖層的變形區(qū)域繼續(xù)增大，變形區(qū)域基本對稱。二1煤層的垂直變形范圍較大，為10～157 mm，垂直位移變形范圍近似橢圓形；但是較推進150 m時，工作面上方37 m處往上的變形較小，分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂巖的強度較大，二1煤層處在彎曲下沉帶的下部及裂隙帶的上部。

2) 走向方向被保護層的膨脹變形。

利用FLAC內(nèi)部hist命令記錄被保護層頂、底板在下保護層開采不同距離的位移數(shù)據(jù)，處理所得位移數(shù)據(jù)得到圖4，圖中數(shù)據(jù)小于零的點，說明該點處被保護層受壓縮，反之，被保護層發(fā)生膨脹變形。

圖4 二1煤層的膨脹變形曲線圖

由圖4可知：

a) 當保護層工作面推進50 m時，二1煤層的最大壓縮量為20.7 mm，壓縮變形率為0.28%；二1煤層沒有任何的膨脹變形，只是保護層采空區(qū)上方被保護層的壓縮變形較原始值有所降低。

b) 當保護層工作面推進100 m時，二1煤層的最大壓縮量為25.0 mm，壓縮變形率為0.34%；二1煤層膨脹變形值開始增大，最大膨脹變形值為13.0 mm，相對二1煤層其膨脹率僅為0.18%.

c) 當保護層工作面推進150 m時，二1煤層的最大壓縮量為28.1 mm，壓縮變形率為0.38%；二1煤層膨脹變形值逐漸增大，最大膨脹變形值為18.8 mm，相對二1煤層其膨脹率約為0.26%.二1煤層膨脹變形均大于10 mm的有95 m，其中還有70 m的范圍二1煤層膨脹變形大于15 mm.

d) 當保護層工作面推進200 m時，二1煤層的最大壓縮量為30.0 mm，壓縮變形率為0.41%；二1煤層膨脹變形范圍和變形量較工作面推進150 m時都有所增大，最大膨脹變形值為21.5 mm，相對二1煤層其膨脹率約為0.30%，有80 m的范圍二1煤層膨脹變形均大于20 mm.

3) 傾向方向被保護煤層垂直位移。二1煤層垂直位移曲線見圖5.

由圖5可知：

圖5 二1煤層垂直位移曲線圖

a) 當保護層推進50 m時，二1煤層受一8煤層的采動影響較??；二1煤層的最大垂直位移只有48 mm，卸壓效果不明顯。

b) 當保護層推進100 m時，二1煤層的垂直位移變形量和范圍都同時增大；二1煤層的最大垂直位移93 mm.

c) 隨著保護層推進距離的不斷增大，二1煤層的垂直位移變形量和范圍也同時增大，但效果不明顯，分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂巖影響了上覆煤巖層的垂直位移。當工作面推進150 m時，二1煤層的最大垂直位移為129 mm；當工作面推進200 m時，二1煤層的最大垂直位移為157 mm.

4) 傾向方向被保護煤層膨脹變形。

同樣利用FLAC內(nèi)部hist命令記錄被保護層頂、底板在下保護層開采不同距離的位移數(shù)據(jù)，處理所得位移數(shù)據(jù)得到圖6.

圖6 傾斜方向上二1煤層的膨脹變形曲線圖

a) 當保護層推進50 m時，傾向方向上二1煤層沒有任何膨脹變形，只是保護層采空區(qū)上方的二1煤層壓縮變形較未開挖時降低了一些。

b) 當保護層推進100 m時，二1煤層出現(xiàn)了一定的膨脹變形，二1煤層的最大膨脹變形為13.5 mm.

c) 隨著保護層推進距離的不斷增大，二1煤層的膨脹變形也同時增大，但增大效果不明顯。分析可能是由于4.6 m厚的中粒砂巖影響了上覆煤巖層的垂直位移。當工作面推進150 m時，二1煤層的最大膨脹變形為19.6 mm；當工作面推進200 m時，二1煤層的最大膨脹變形為22.2 mm.

5 結(jié) 論

通過對下保護層3307工作面及其圍巖進行數(shù)值建模，運用UDEC及FLAC3D進行數(shù)值模擬研究，可得出如下主要結(jié)論：

1) 對下保護層開采后上覆煤巖層的應力釋放及位移變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)：下保護層開采后，上覆煤巖層的應力出現(xiàn)一定的卸壓效果，其中被保護層會出現(xiàn)一定大小的應力釋放“O”型圈，且下保護層工作面推進距離越大，“O”型圈越大，并且“O”型圈中心的應力越小，達到一定程度之后不會降低；上覆煤巖層的移動變形規(guī)律也出現(xiàn)類似的“O”型圈，且下保護層工作面推進距離越大，“O”型圈越大，

“O”型圈中心的位移變形值也越大。

2) 從監(jiān)測到的被保護層的膨脹變形的曲線分析得：水平方向上，被保護層的膨脹變形近似“U”型，即下保護層工作面中心上方的被保護層膨脹變形較大，靠近上下順槽上方的被保護層膨脹變形較小，在下保護層實體煤上方的被保護層沒有出現(xiàn)膨脹變形，反而出現(xiàn)了一定的壓縮變形，可能是由于實體煤出現(xiàn)了一定的應力集中造成的；傾斜方向上，被保護層的膨脹變形近似一個倒“U”型。

3) 從研究下保護層與被保護層之間的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對被保護層卸壓和膨脹變形的影響分析得出：層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對被保護層的卸壓和膨脹變形有一定影響。距離一8煤層4 m的4.6 m厚的石灰?guī)r關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不會對上覆煤巖層的卸壓和膨脹變形有影響或者影響較小，但距離一8煤層約37 m的4.6 m厚的砂質(zhì)泥巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對上覆煤巖層的卸壓和膨脹變形有一定影響。

4) 對下保護層開采后被保護層應力釋放及位移變形規(guī)律數(shù)值模擬研究表明：開采下保護層對上被保護層有較好的卸壓作用，但其中的層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對被保護層的卸壓作用有一定影響。

5) 當工作面推進200 m后，二1煤層獲得了較好的卸壓效果，走向上二1煤層低于5 MPa的長度為145 m，傾向上二1煤層低于5 MPa的長度為60 m；二1煤層最大垂直位移為157.0 mm，二1煤層最大膨脹變形為22.2 mm，最大相對膨脹變形為0.3%.

參 考 文 獻

[1] 惠功領(lǐng).煤礦深部近距低采高上保護層開采瓦斯災害協(xié)同控制技術(shù)[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2015.

[2] 魏志勇.楊村煤礦底板突水的工程地質(zhì)研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學,2014.

[3] 施龍青,韓 進. 開采煤層底板“四帶”劃分理論與實踐[J]. 中國礦業(yè)大學學報,2015,34(1):16-23.

[4] 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(yè)大學,2015.

[5] 張擁軍,于廣明,路世豹,等. 近距離上保護層開采瓦斯運移規(guī)律數(shù)值分析[J]. 巖石力學,2010,31(1):398-404.

[6] 王軼波,李紅濤,趙啟峰. 上解放層底板下向鉆孔抽放被解放層瓦斯技術(shù)研究[J].礦業(yè)工程研究,2011,26(2):18-21.