魯 穩(wěn) ，馬樹(shù)俊，魏自富

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000)

在防治煤與瓦斯突出的眾多措施中，開(kāi)采保護(hù)層是最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域防突措施[1-2]。由于保護(hù)層開(kāi)采的實(shí)用性和可靠性，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中明確規(guī)定了區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)[3]。開(kāi)采保護(hù)層后，相鄰煤巖層及瓦斯賦存平衡條件發(fā)生了改變，相鄰煤巖層卸壓變形產(chǎn)生大量孔裂隙，被保護(hù)層瓦斯得到了釋放，煤體強(qiáng)度得以增加，進(jìn)而增強(qiáng)了抵抗煤與瓦斯突出的能力[4-6]，實(shí)現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)。本文以平煤一礦戊組煤層的地質(zhì)條件為例，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件，對(duì)開(kāi)采上保護(hù)層后被保護(hù)層的應(yīng)力分布和位移變形進(jìn)行模擬，分析保護(hù)層開(kāi)采的卸壓規(guī)律，為被保護(hù)煤層瓦斯治理提供依據(jù)。

1 工程概況

平煤一礦興建于1957年，于1959年簡(jiǎn)易投產(chǎn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a。于1974年和1987年進(jìn)行兩次改擴(kuò)建后，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力增加到400萬(wàn)t/a。主要開(kāi)采丁組、戊組煤層，戊組煤層分為戊8、戊9、戊10、戊11煤層，其中戊11煤層獨(dú)立分層，不可采。戊8、戊9、戊10煤層厚度分別為1.6～2.5 m、0.8～1.6 m、1.7～3.1 m，平均厚度分別為2 m、1.2 m、2.4 m。戊8、戊9煤層之間為灰及深灰色泥巖，厚度為6.7～10.0 m，平均8.0 m，巖體含植物化石碎片，巖石中部往往夾有中-細(xì)砂巖薄層；戊9、戊10煤層之間為深灰色泥巖，厚度為0.7～6.1 m，平均3.4 m，巖體呈塊狀，夾有砂質(zhì)泥巖薄層，局部為砂巖或砂質(zhì)泥巖，煤層傾角平均為7°。

戊8煤層為緩傾斜煤層，其最大保護(hù)垂距為50 m。戊8煤層與戊9煤層之間間距為6.7～10.0 m，平均8.0 m，戊8煤層與戊10煤層間距為8.2～17.7 m，平均12.6 m，符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的最小層間距，所以戊8作為戊9、戊10煤層的保護(hù)層是合理的、可行的。如果對(duì)戊8煤層進(jìn)行回采，形成上保護(hù)層，下伏雙層被保護(hù)層戊9、戊10煤層將會(huì)得到卸壓，煤體發(fā)生膨脹變形而出現(xiàn)裂隙，并連通煤體中原有孔隙、裂隙，使煤層透氣性系數(shù)增加，有利于釋放戊9、戊10煤層中的瓦斯，提高戊9、戊10煤層回采區(qū)域生產(chǎn)的安全性、高效性。

2 數(shù)值模擬模型建立

模型采用COMSOL 5.2版本數(shù)值模擬軟件進(jìn)行構(gòu)建，以平煤一礦戊組煤層的地質(zhì)條件，上保護(hù)層戊8-32040工作面為原型，以此來(lái)建立上保護(hù)層開(kāi)采卸壓的數(shù)值模擬計(jì)算模型。戊8-32040工作面切眼長(zhǎng)142.7 m，采高3 m，為了簡(jiǎn)化數(shù)值模擬計(jì)算模型，將各煤巖層層間位置視為單一布置，不考慮構(gòu)造作用的影響，采高取3 m，數(shù)值模型尺寸為140 m×70 m(長(zhǎng)×高)，見(jiàn)圖1、圖2。各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)建立的模型的左右兩邊為輥支承水平約束，底部為固定約束，上部邊界為自由約束，煤層頂板上部加載均布荷載為16 MPa。數(shù)值模擬采用的力學(xué)模型為Drucker-Prager模型(以下簡(jiǎn)稱D-P)和Mohr-Coulomb模型模型(以下簡(jiǎn)稱M-C)，相應(yīng)的準(zhǔn)則為D-P和M-C準(zhǔn)則。

圖1 走向數(shù)值模型

圖2 傾向數(shù)值模型

表1 各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)模擬結(jié)果分析平煤一礦的上保護(hù)層戊8煤層在回采工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)雙層被保護(hù)戊9、戊10煤層的應(yīng)力變化、位移變形和膨脹變形規(guī)律，計(jì)算沿走向方向和傾向方向上的卸壓角。

3.1 沿走向保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬

模擬戊8-32040保護(hù)層工作面推進(jìn)15 m、30 m、45 m及60 m時(shí)，沿走向方向周圍煤巖層應(yīng)力分布、被保護(hù)層膨脹變形和推進(jìn)60 m時(shí)的采空區(qū)周圍煤巖層應(yīng)力等值線及方向分布、塑性應(yīng)變總位移場(chǎng)，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～圖12。

圖3 工作面推進(jìn)15 m應(yīng)力分布

圖4 工作面推進(jìn)30 m應(yīng)力分布

圖5 工作面推進(jìn)45 m應(yīng)力分布

圖6 工作面推進(jìn)60 m應(yīng)力分布

圖7 應(yīng)力分布等值線及方向示意

圖8 塑性應(yīng)變總位移及位移場(chǎng)方向

圖9 工作面推進(jìn)15 m戊組煤層膨脹變形

圖10 工作面推進(jìn)30 m戊組煤層膨脹變形

圖11 工作面推進(jìn)45 m戊組煤層膨脹變形

圖12 工作面推進(jìn)60 m戊組煤層膨脹變形

從圖3～圖12可以得出，保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在保護(hù)層工作面切眼及采面區(qū)域。隨著保護(hù)層的推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)及應(yīng)力均逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力分布變化逐漸增大。被保護(hù)層卸壓范圍也逐漸增大，卸壓區(qū)應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)變位移場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布。保護(hù)層開(kāi)采后，被保護(hù)層變形呈“W”型，被保護(hù)層應(yīng)力近似呈“M”型分布；在采空區(qū)兩端應(yīng)力集中明顯，上端呈現(xiàn)斜向上的集中泡影，下端呈現(xiàn)斜向下的集中泡影，總體呈斜“8”型分布。

上保護(hù)層工作面向前推進(jìn)過(guò)程中，被保護(hù)層戊9、戊10煤層頂?shù)装宥荚诎l(fā)生變形，且戊9煤層的頂?shù)装迮蛎涀冃瘟恳笥谖?0煤層的頂?shù)装遄冃瘟?。但下伏雙層被保護(hù)層出現(xiàn)不連續(xù)的卸壓情況，分析可能是由于上下分層的互為影響而削弱各自的膨脹變形量，且受到不同煤層的物理性質(zhì)的差異化影響，煤層頂?shù)装迮蛎涀冃瘟恳矔?huì)發(fā)生相應(yīng)變化。由此可知，戊9煤層在一定程度上影響了戊10煤層的應(yīng)力卸壓效果。

工作面推進(jìn)60 m后，被保護(hù)層戊10煤層在保護(hù)層開(kāi)采后頂板法向變形量最大為81.3 mm，底板法向變形量最大為70.5 mm；被保護(hù)層戊9煤層在保護(hù)層開(kāi)采后頂板法向變形量最大為100.2 mm，底板法向變形量最大為94.5 mm。從圖12可以看出，在距開(kāi)切眼9.35 m處，被保護(hù)層戊10煤層的頂板法向變形量為40.3 mm，底板法向變形量為33.1 mm，膨脹變形量為3‰。已知被保護(hù)層戊10煤層上距戊8煤層12.6 m，得保護(hù)層沿走向卸壓角為δ=53.42°。在距開(kāi)切眼5.9 m處，被保護(hù)層戊9煤層的頂板法向變形量為33.0 mm，底板法向變形量為29.4 mm，膨脹變形量為3‰。已知被保護(hù)層戊9煤層上距戊8煤層8 m，得保護(hù)層沿走向卸壓角為δ=51.59°。

3.2 沿傾向保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬

模擬戊8-32040保護(hù)層工作面推進(jìn)60 m時(shí)，沿傾向方向采空區(qū)周圍煤巖層應(yīng)力等值線及方向分布、塑性應(yīng)變總位移場(chǎng)和被保護(hù)層膨脹變形。模擬結(jié)果見(jiàn)圖13、圖14、圖15。

圖13 應(yīng)力分布等值線及方向示意

圖14 塑性應(yīng)變總位移及位移場(chǎng)方向

通過(guò)對(duì)圖15的計(jì)算分析，得出在距采空區(qū)上側(cè)4.5 m處和在距采空區(qū)下側(cè)4 m處，被保護(hù)層的膨脹變形量為3‰；已知戊8煤層與戊10煤層的層間距為12.6 m，經(jīng)計(jì)算得保護(hù)層沿傾向向上側(cè)和沿傾向下側(cè)的卸壓角分別為70.35°、72.39°。

圖15 工作面推進(jìn)60 m戊組煤層膨脹變形

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)COMSOL5.2軟件模擬并分析了上保護(hù)層開(kāi)采后下伏雙層被保護(hù)層應(yīng)力場(chǎng)及塑性應(yīng)變區(qū)分布情況，計(jì)算得到沿走向和傾向兩個(gè)方向上的卸壓角。其中戊9煤層沿走向上的卸壓角為51.59°，戊10煤層沿走向上的卸壓角為53.42°；保護(hù)層沿傾斜方向下側(cè)的卸壓角為72.39°，沿傾斜方向上側(cè)的卸壓角為70.35°。

2) 上保護(hù)層開(kāi)采后，被保護(hù)層變形呈“W”型，被保護(hù)層應(yīng)力近似呈“M”型分布；在采空區(qū)兩端應(yīng)力集中明顯，上端呈現(xiàn)斜向上的集中泡影，下端呈現(xiàn)斜向下的集中泡影，總體呈斜“8”型分布。

3) 上保護(hù)層工作面向前推進(jìn)過(guò)程中，被保護(hù)層戊9、戊10煤層頂?shù)装宥荚诎l(fā)生變形，且戊9煤層的頂?shù)装迮蛎涀冃瘟恳笥谖?0煤層的頂?shù)装遄冃瘟?。但下伏雙層被保護(hù)層出現(xiàn)不連續(xù)的卸壓情況，分析可能是由于上下分層的互為影響而削弱各自的膨脹變形量，且受到不同煤層的物理性質(zhì)的差異化影響，煤層頂?shù)装迮蛎涀冃瘟恳矔?huì)發(fā)生相應(yīng)變化。由此可知，戊9煤層在一定程度上影響了戊10煤層的應(yīng)力卸壓效果。