“三軟”煤層上保護層開采煤巖應力應變研究

王立 撒占友

摘 要：礦井瓦斯災害會造成人員傷亡及財產損失，嚴重影響煤礦企業的生產。為研究上保護層開采過程中下伏煤層應力應變的變化規律，降低高應力應區瓦斯突出事故的發生，本文利用COMSOL進行不同煤巖距離的數值模擬。結果表明在一定范圍內，保護層開采可有效降低被保護層煤巖壓力。

關鍵詞：保護層;數值模擬;煤巖形變

1 概述

我國是一個是一個煤炭大國，2015年，煤炭在我國能源消費比重中大約占70%，[1]2017年，煤炭能源在一次性能源消費比重中仍大約占60%。[2]隨著煤炭資源的利用與開采，我國許多礦井逐步進入到高應力開采區域，一旦發生煤礦事故，特別是在“三軟”煤層，將會造成巨大損失。2005年到2014年，煤礦事故中，瓦斯事故仍是造成死亡人數最多的事故。[3]本文在結合前人研究的基礎上進行“三軟”煤層上保護層開采不同煤層間距煤巖應力應變的研究。

2 模型構建

2.1 數學模型構建

在文獻[4]中已給出了相應的假設，并建立了煤巖采動下伏煤層應力應變變化的數學模型，本文將基于文獻[4]進行研究。

2.2 物理模型構建

（1）數值模型構建。本文建立的模型為水平煤層，各層分布及屬性見圖1，本文將通過調節兩煤層間的巖層厚度（砂質泥巖層）控制煤層間距，通過調節保護層上方巖層（砂質泥巖層）厚度使被保護層所受總壓力保持不變，模型長×寬=200×50m，保護層煤層厚度為3m，被保護層煤層厚度為4m。

在保護層上方有中砂巖層及砂質泥巖層，兩煤層中間有砂質泥巖層，被保護層下方有泥巖層及砂質泥巖層。

（2）初始條件設定。本文設定模型底部為固定約束，左右兩側分別為輥支承，上部施加20Mpa的均布載荷。

（3）數值模擬。本文通過設定保護層開采距離為40m，分別研究煤層間距為6m、9m及12m的被保護層應力應變變化規律，模擬結果如圖2所示。

3 模擬結果及分析

在保護層開采40m范圍內，當煤層層間距為6m時，被保護煤層會形成的連續的形變區域，最大影響距離為87.5m，被保護煤層有明顯卸壓，最大卸壓壓力約為1MPa;當煤層層間距為9m時，被保護煤層部分區域為發生形變，最大位移形變距離為78m，卸壓區域與層間距6m時相比有所縮小，最大卸壓壓力為09MPa;當煤層層間距為12m時，被保護煤層連續變形區域明顯被破壞，最大位移累計為68m，最大卸壓壓力約為0.7MPa;當煤層層間距為20m時，最大位移累計為52m，最大卸壓壓力約為02MPa。被保護煤層應力應變隨煤層間距的變化。

4 結論

（1）“三軟”上保護層開采對下伏煤層有一定程度的卸壓，卸壓影響隨著煤層間距的增大呈線性減小的趨勢;

（2）保護層的開采對下伏煤層的采動影響呈倒“V”型分布的特點，隨著煤層間距的增大，現象越明顯;

（3）在一定的煤層間距范圍內（本文為20m），保護層的開采可有效釋放被保護煤層的煤與瓦斯的壓力，減少煤與瓦斯事故的發生。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家統計局.2015年國民經濟和社會發展統計公報[EB].2016.

[2]中王彥軍，張超龍，肖樂樂，等.2001-2013年煤礦生產事故分類研究[J].煤礦安全，2015，46（3）：208-211.

[3]李偉.高瓦斯厚煤層覆巖裂隙演化與瓦斯運移規律及應用研究[D].西安科技大學，2015.

[4]李磊.“三軟”煤層上保護層開采下伏煤巖瓦斯氣固耦合模型及應用[D].青島理工大學，2017.

作者簡介：王立（1994-），男，山西長治人，碩士，研究方向：工礦災害預防與控制、安全與應急管理。

通訊作者：撒占友（1969-），男，內蒙赤峰人，博士，教授，碩士研究生導師，研究方向：工礦災害預防與控制、安全與應急管理。