开采上下保护层卸压效果的数值模拟分析

秦子晗，蓝 航

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

开采上下保护层卸压效果的数值模拟分析

秦子晗，蓝 航

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

为了确定在冲击地压矿井中如何选择保护层进行开采，采用了FLAC3D软件对不同煤层条件进行了保护层的模拟开采，分析了保护层开采后的应力分布以及所受层间距和上下位置关系的影响情况。模拟结果表明，层间距越大，卸压范围越小，卸压程度也越弱，同时在保护层开采的边界位置还存在应力增高的现象。通过对开采上下保护层的模拟分析发现，开采下保护层时，其卸压范围和卸压效果要优于开采上保护层。研究所得成果可以为冲击地压矿井如何合理有效地顺序开采提供依据，以降低或避免冲击地压事故的发生。

保护层;被保护层;冲击地压;卸压;层间距

1 保护层开采的意义

保护层开采技术是指先采一个煤层 （或分层），从而使得邻近煤层得到一定时间的卸载。保护层开采后，在其围岩中产生裂隙，引起围岩向采掘空间移动，使采空区上下方的岩层卸载，形成卸压带。

从图1中可以看出，在卸压带范围内，卸载作用随着向上或向下远离保护层而衰减。在卸压带的某些范围内，应力降低到一定程度时，开采工作才会免遭冲击地压的危害。

2 数值模拟模型建立

该模型集中模拟具有3层煤的煤层群开采，三层煤的厚度都为3.5m，自上而下的层间距分别为20m和30m。煤层顶底板岩性分别为泥岩和细砂岩，倾角为0°，为近水平煤层。模型模拟高度为122.5m，模型走向长度220m，两端分别考虑20m的边界影响区域，实际模拟工作面走向长度180m，其中包括6m的切眼宽度。模型倾向长度为190m，其中两端也分别考虑20m的边界影响区域，两巷均为矩形巷道。模型上方有600m未模拟岩层按等效载荷代替。

图1 保护层开采的卸压分布

模型四个边界均是固定法向位移，底端边界固定垂直位移。

模型如图2所示。

图2 FLAC3D所建数值模型

3 保护层开采模拟分析

在模拟过程中，分别对不同位置的3层煤进行回采，每层煤回采之后产生的卸压区如图3所示。

从图中可以看出，当煤层回采之后，在采空区上方和下方都会出现一定范围的卸压。越靠近煤层，卸压范围越大，卸压的程度也越大，但在采空区的边缘，无论是从倾向还是走向上看，又存在着一个应力增高区。基于此，在被保护层进行回采时，应将工作面布置在卸压区内，避免跨经采空区边缘的高应力区，防治发生事故。从模拟的结果可以得知，通过保护层开采来防治煤岩动力灾害是有效的，而且无论开采上保护层还是下保护层，对于被保护煤层都会起到卸压的效果。

由于开采上下保护层都能够达到使保护层卸压的效果，因此在实际中，根据保护层所在位置不同，煤层可以按下行顺序开采，也可按上行顺序开采，或者按混合顺序开采。但开采保护层的一个重要原则就是要首先选择无冲击危险或冲击危险性最小的煤层，或能保证安全开采的煤层作为保护层。本文在同等的条件下，对开采上下保护层的卸压效果分别进行了模拟分析。卸压效果的分析通过被保护层的垂直应力大小与开采前的原岩应力大小进行对比，比值越小表明卸压效果越明显。

图3 保护层开采后的空间应力分布

3.1 上保护层开采的卸压效果分析

在模拟中，对位于保护层下方 20m，30m，50m的被保护层卸压效果进行了分析，将每层的垂直应力变化进行统计，得到如图4所示的应力等值线图，图中的矩形框位置为保护层开采的范围。

图4 上保护层开采后的煤层应力等值线

从图4可以看出，在位于采空区正下方的区域，被保护层的卸压效果最好，在靠近上保护层边缘的位置，应力会有些许升高。从模拟结果来看，在保护层下方，被保护层的卸压范围与层间距的大小有着重要联系。随着层间距的增大，被保护层的卸压程度及卸压范围都在逐渐减小。

为了更直观地分析开采上保护层的保护效果，将保护层下方同一位置的不同深度的应力变化绘制成曲线，如图5所示。

模拟的保护层开采范围是30～190m，从图5可以看出，在采空区下方，距离20m的煤层卸压程度最大，最大达到原岩应力的10%，卸压范围也最大，应力在原岩应力的60%以下的区域为35～185m。但从图中可以看出，在采空区边缘，其应力则超过了原岩应力，因此，在开采被保护层时，要考虑上采空区的煤柱影响。另外从图中看出，距离保护层50m的区域卸压效果要远低于20m位置处，但其受采空区边缘的影响也最小。

图5 不同层间距的被保护层的应力变化曲线

3.2 下保护层开采的数值模拟

通过数值模拟，将对下保护层进行开采后，不同层间距的被保护层的应力变化绘成等值线图，如图6，图中矩形框位置为保护层开采的范围。

图6 上保护层开采后的煤层应力等值线

由图6可知，如果下保护层开采范围较小，则上部坚硬岩层将不会断裂垮落，这一层坚硬岩层将对其上部的被保护层的卸压起到阻隔作用。如果开采煤层回采的范围足够大，坚硬岩层也将断裂垮落，那么坚硬岩层将不能对被保护层的卸压起到屏障作用。

从应力等值线图及应力变化曲线图中可以看出，被保护层的卸压范围及卸压程度与上保护层开采的情况大致相似，详见图7。

图7 不同层间距的被保护层的应力变化曲线

3.3 上下保护层卸压效果对比

为了更好对比不同位置的保护层的保护效果，将相同层间距的煤层卸压效果进行对比，如图8。

图8 上、下保护层开采的煤层应力变化曲线对比

从图8可以得知，在层间距大小相等的情况下，从被保护层的卸压程度及卸压范围上分析，下保护层开采后的卸压效果要好于开采上保护层。因此，在层间距合适的情况下，应优先考虑开采下保护层，其基本原则是不能破坏上层煤的开采条件。在倾斜煤层中，由于下保护层的开采并不能保证被保护层在开采水平上完全被保护。因此为了安全开采，可以采取多种措施，如开采上、下保护层或在下水平超前开采保护层。

时间因素对保护作用有2种影响:一种是有利的，另一种是不利的。保护层停采后，岩层和煤层的移动与变形还在一定的时间内延续进行，保护带可得到部分扩展。但是由于保护层开采后，垮落的岩石在上覆应力作用下逐渐压实，应力逐渐恢复，一些研究者认为保护作用会随时间的延长而消失。对于近距离或中距离保护层，被保护层卸压较充分，随时间延长，被保护层的状态和煤的力学性质不可能恢复原状，因而保护作用也不会随时间的延长而消失，国内外均有开采保护层后6～12a再采被保护层不发生冲击的实例。

4 结论

开采保护层后，形成了保护带，从而起到减缓冲击地压的作用。研究表明，在被保护了的煤层进行开采时，支承压力峰值降低了，但被保护范围要小于保护层的开采范围，这说明，保护作用的实质在于改善了被保护层开采中能量积聚与释放的空间分布。

（1）无论采用上或下保护层开采，保护层上下范围内的煤层都会出现应力降低的现象，卸压的程度随着层间距的增大而减小。

（2）对于近水平煤层，保护层开采后，在保护层正下方或正下方的区域卸压程度最大，而在采空区边缘的上下区域，应力则会出现一定程度的增大。因此被保护层开采要避免跨经采空区边缘的高应力区。

（3）在层间距大小相等的情况下，从被保护层的卸压程度及卸压范围上分析，下保护层开采后的卸压效果要好于开采上保护层。在层间距合适的情况下，应优先考虑开采下保护层。

［1］秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理研究 ［J］.煤矿开采，2010，15（2）:85－86，106.

［2］石必明，刘泽功.保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟［J］.煤炭学报，2008（1）.

［3］齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［4］齐庆新，李宏艳，潘俊锋，等.冲击矿压防治的应力控制理论与实践 ［J］.煤矿开采，2011，16（3）:114－118.

［5］王洛锋，姜福兴，于正兴.深部强冲击厚煤层开采上下解放层卸压效果相似模拟研究［J］.岩土工程学报，2009，13（3）:442－445.

［6］涂 敏，黄乃斌，刘宝安.远距离下保护层开采上覆煤岩体卸压效应研究［J］.采矿与安全工程学报，2007（12）:418－423.

［7］孙晓冬，贾光胜，毛德兵.急倾斜薄煤层开采矿压显现规律研究 ［J］.煤矿开采，2011，16（2）:94－96.

Numerical Simulation of Pressure Relief Effect in Mining Upper and Lower Protective Coal-seam

QIN Zi-han，LAN Hang
（Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

In order to determine how to select protective seam in mine with rock-burst danger，applying FLAC3Dto simulating protective seam mining under different conditions.Stress distribution and the influence of interval between 2 coal-seams and relative position was analyzed.Simulation results showed that interval was larger，pressure relief range was smaller and pressure relief degree was weaker，stress rose at boundary of protective seam mining.Stress relief range and effect mining of mining bottom protective seam was better than that of mining upper protective seam.This might provide reference for selecting mining sequence to reduce or avoid rock-burst danger.

protective seam;protected seam;rock-burst;pressure relief;interval between 2 coal-seams

TD324.2

A

1006-6225（2012）02-0086-04

2011－11－04

国家重点基础研究发展计划 （973）项目 （2010CBA26806）

秦子晗 （1983－），男，河北故城人，助理工程师，主要从事冲击地压防治及煤矿安全相关工作。

［责任编辑:于海湧］

特殊采煤与矿区环境治理