申志勇 蘇靜 蔣興義 李久錇 歐一昌 王曉雙

摘要：為了模擬遠(yuǎn)距離煤層下保護(hù)層開采過程中頂?shù)装迕簬r層破裂移動(dòng)規(guī)律，以及隨著下保護(hù)層工作面推進(jìn)，上保護(hù)層煤層產(chǎn)生的變形和應(yīng)力分布特征，從而分析遠(yuǎn)距離下保護(hù)煤層開采時(shí)上覆煤巖層的卸壓效果。采用UDEC軟件構(gòu)建了走向模型，通過數(shù)值模擬分析得出：1）隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙的范圍不斷增大，以大致相似的裂隙分布形狀周期性向前發(fā)育;2）在保護(hù)層開采過程中，煤巖層的應(yīng)力是動(dòng)態(tài)變化的，隨著工作面的不斷推進(jìn);3）在工作面前方和切眼外側(cè)附近煤巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，垂直應(yīng)力達(dá)到20MPa，應(yīng)力影響范圍約為20m左右;同時(shí)在工作面后方采空區(qū)側(cè)和切眼內(nèi)側(cè)約10m～20m范圍應(yīng)力降低，為卸壓區(qū)，而采空區(qū)中間區(qū)域圍巖應(yīng)力趨于恢復(fù)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離;保護(hù)層;卸壓開采;數(shù)值模擬

0引言

下保護(hù)層開采是解決低透氣性高瓦斯煤層群安全高效開采的有效途徑，貴州省大部分礦井是典型礦區(qū)低透氣性、高瓦斯、近距離煤層群、煤與瓦斯突出概率高。然而上覆巖層中的薄煤層群開采受工作面斷層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的限制，主要問題集中為：1）薄煤層開采成本高，經(jīng)濟(jì)效益低;2）開采環(huán)境惡劣，不宜綜合開采，安全隱患大。尤其在開采下保護(hù)層厚煤層后，上覆煤巖裂隙卸壓、失穩(wěn)、起裂、張裂、裂隙萎縮、變小、吻合、封閉的動(dòng)態(tài)演化更加明顯。

文章研究的關(guān)鍵是運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采的采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)特征及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上覆巖層活動(dòng)機(jī)理、遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采的卸壓范圍以及卸壓保護(hù)效果進(jìn)行研究分析，進(jìn)而為遠(yuǎn)距離上被保護(hù)煤層卸壓增透、煤層瓦斯抽采設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1工程概況

某典型礦區(qū)礦井S1303工作面為13號(hào)煤層的綜采工作面，位于南采區(qū)S+1317新回風(fēng)石門以南，工作面上限標(biāo)高+1391m，下限標(biāo)高+1312m，南以切眼為界，北以預(yù)計(jì)停采線為界。S1303工作面上覆S1101、S1101中工作面采空區(qū)，工作面距采空區(qū)法向距離4m，上區(qū)段為S1301、S1301中工作面采空區(qū)，工作面地面對(duì)應(yīng)位置為段家?guī)r往東350～1200m，地面為表土不厚的順向坡堆積物。工作面距地表垂深560～645m。S1303工作面位于南采區(qū)S+1317新回風(fēng)石門以南，工作面上限標(biāo)高+1391m，下限標(biāo)高+1312m，南以切眼為界，北以預(yù)計(jì)停采線為界。S1303工作面布置示意圖如圖1所示。

2 遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開采的數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

以1303工作面沿走向剖面為現(xiàn)場(chǎng)模型，構(gòu)建大河邊煤礦13號(hào)煤層下保護(hù)層1303傾斜長(zhǎng)壁工作面數(shù)值計(jì)算模型，如圖4-2所示。構(gòu)建工作面走向模型的尺寸為400×92.3m（長(zhǎng)×高），模型模擬13號(hào)煤層平均厚度為2.3m，采高為2.3m，埋深平均600m，上方3號(hào)煤層厚度為0.8m，間距為57.8m。模型為應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型，采用位移邊界約束，模型下部邊界沿 、左右邊界沿 的位移速度為0，模型上邊界為自由邊界，施加上覆巖層的自重載荷為15.3MPa。

2.2 下保護(hù)層卸壓開采采動(dòng)裂隙演化規(guī)律

為模擬13號(hào)煤層回采時(shí)采動(dòng)裂隙的演化規(guī)律，從模型左邊距邊界75m處開切眼向右進(jìn)行開挖推進(jìn)，模擬從開挖75m開始，分別模擬推進(jìn)30m、60m、90m、120m、150m五個(gè)回采段。采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬了工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的沿煤層走向剖面圍巖、頂?shù)装辶严都按怪睉?yīng)力分布情況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

通過數(shù)值模擬結(jié)果分析可知：開切眼形成以后，上覆巖層懸露，引起直接頂膨脹變形，隨著工作面向前推進(jìn)，上覆巖層和頂板巖層向采空區(qū)發(fā)生膨脹變形。當(dāng)工作面開挖30 m左右時(shí)，如圖4（a）所示，采空區(qū)上覆巖層和底板巖層裂隙開始發(fā)育擴(kuò)展。隨著工作面的不斷推進(jìn)，圍巖應(yīng)力不斷發(fā)生變化， 3號(hào)煤層受到采動(dòng)影響，采空區(qū)上方煤巖層出現(xiàn)卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力在5～15MPa之間，但卸壓范圍小，卸壓程度比較低。工作面推進(jìn)到60m時(shí)，如圖4（b）所示，基本頂發(fā)生周期性來壓，工作面覆巖發(fā)生劇烈來壓現(xiàn)象，頂?shù)装辶严栋l(fā)育充分，不斷向頂?shù)装迕簬r層深部發(fā)育擴(kuò)展，淺部煤巖層主要產(chǎn)生穿層、離層裂隙，裂隙交叉貫通，并與采空區(qū)中的裂隙溝通，深部主要產(chǎn)生離層張裂隙，離層和穿層裂隙構(gòu)成卸壓瓦斯運(yùn)移的通道。由圖中圍巖應(yīng)力分布可知，工作面前方和切眼外側(cè)附近煤巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，垂直應(yīng)力達(dá)到20MPa，應(yīng)力影響范圍約為15m左右;同時(shí)在工作面后方采空區(qū)側(cè)和切眼內(nèi)側(cè)約10m～20m范圍應(yīng)力降低，為卸壓區(qū)，而采空區(qū)中間區(qū)域圍巖應(yīng)力趨于恢復(fù)穩(wěn)定。

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，如圖4（c）、圖4（d），圖4（e）所示，直接頂不斷冒落，基本頂周期性來壓，受采動(dòng)的影響，上覆巖層和底板巖層在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同作用下，不斷的發(fā)生變形破壞運(yùn)動(dòng)，穿層、離層裂隙不斷的發(fā)展，并隨著工作面的推進(jìn)不斷向前和頂?shù)装迳畈堪l(fā)育擴(kuò)展，離層裂隙主要分布在采空區(qū)基本頂上方5m以上，穿層裂隙分布在基本頂上方和采空區(qū)底板下方5m范圍以內(nèi)。隨著頂板巖層的不斷垮落，采空區(qū)冒落巖石逐漸被壓實(shí)，工作面后方一定距離的底板應(yīng)力逐漸恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，煤層底板始終處于采前壓縮、采后膨脹和恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的過程。由圖中圍巖應(yīng)力分布可知，3號(hào)煤層垂直應(yīng)力值約為10Mpa，約為原巖應(yīng)力值的2/3，卸壓程度進(jìn)一步的增大，同時(shí)3號(hào)煤層的卸壓范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大;工作面推進(jìn)到150m時(shí)，采空區(qū)不斷被直接頂垮落巖石充填，采空區(qū)中部垮落巖石重新趨于壓實(shí)，使得采空區(qū)中部圍巖的垂直應(yīng)力已基本恢復(fù)至原巖應(yīng)力，但在采空區(qū)兩側(cè)仍各保持一個(gè)卸壓區(qū)，因而在采空區(qū)四周形成一個(gè)垂直應(yīng)力降低區(qū)，它與采動(dòng)裂隙“O”形圈是對(duì)應(yīng)的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 施 峰，王宏圖，舒 才.間距對(duì)上保護(hù)層開采保護(hù)效果影響的相似模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].中 國(guó) 安 全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（12）：138-144.

[2] 楊賀，邱黎明，汪皓，等.遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆煤巖層采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].工礦自動(dòng)化，2017，43（6）：37-41.

[3] 撒占友，李 磊，盧守青，等.“三軟”煤層上保護(hù)層開采底板圍巖透氣性演化相似試驗(yàn)研究[J].煤礦安全，2017，48（07）：25-28.

[4] 鄧玉華.近水平上保護(hù)層開采覆巖破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].煤炭工程，2017，49（05）：87-90.

[5] 李江濤. 煤層群開采保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].能源與環(huán)保，2019，41（ 8） ： 154-157.

[6] 賀愛萍，等： 保護(hù)層開采被保護(hù)層裂隙分布與增透效果相似材料模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2019，19（ 4） ： 1174-1181.

[7] 齊峰.保護(hù)層區(qū)段煤柱寬度對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的影響[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2016，43（04）：10-13.

[8] 康建寧.基于合理采掘部署的突出煤層群開采區(qū)域防突措施[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2017，44（03）：43-48.

作者簡(jiǎn)介：

申志勇（1998.09-），男，仡佬族，貴州省務(wù)川縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202110977113）