下保護層開采圍巖運移數值模擬研究

武晉文

(陽泉煤業集團有限責任公司 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，賦存穩定，結構簡單，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，出現裂隙，煤層透氣性系數將會增加，有利于二1煤層瓦斯的抽采和消突，對二1煤層回采區域的安全、高效生產產生積極的作用。采區主要巖層及物理特性見表1.

根據該礦開采設計，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。

數值模型采用三維立體應變模型。根據地質柱狀圖，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、層間硬巖破斷規律以及二1煤層的垂直位移及膨脹變形規律。

3 被保護層的垂直應力演化規律

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，卸壓效應已經發展到二1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，在采空區上方形成一定的應力降低區域，應力降低區發展趨勢基本對稱。此時，從走向剖面上看，上覆巖層卸壓出現不連續的情況，分析可能是由于4.6 m的中粒砂巖強度較大，形成懸板結構，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，在采空區上方巖層的應力進一步降低，應力降低區發展趨勢基本對稱。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，在采空區上方巖層的應力再一次降低，應力降低區發展趨勢基本對稱。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域進一步增大，變形區域基本對稱。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域繼續增大，變形區域基本對稱。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據，處理所得位移數據得到圖4，圖中數據小于零的點，說明該點處被保護層受壓縮，反之，被保護層發生膨脹變形。

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煤層的采動影響較小；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據，處理所得位移數據得到圖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 論

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

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律的數值模擬研究發現：下保護層開采后，上覆煤巖層的應力出現一定的卸壓效果，其中被保護層會出現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律也出現類似的“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膨脹變形，反而出現了一定的壓縮變形，可能是由于實體煤出現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鍵層結構對被保護層卸壓和膨脹變形的影響分析得出：層間關鍵層結構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厚的石灰巖關鍵層結構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厚的砂質泥巖關鍵層結構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律數值模擬研究表明：開采下保護層對上被保護層有較好的卸壓作用，但其中的層間關鍵層結構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.煤礦深部近距低采高上保護層開采瓦斯災害協同控制技術[D].徐州:中國礦業大學,2015.

[2] 魏志勇.楊村煤礦底板突水的工程地質研究[D]. 徐州：中國礦業大學,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律數值分析[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研究[J].礦業工程研究,2011,26(2):18-21.