基于FLAC3D的竖井揭煤数值模拟研究与应用

王多武

(华能云南滇东能源有限责任公司 矿山建设有限公司, 云南 曲靖 655000)

煤炭约占我国一次能源的70％，然而我国的煤与瓦斯突出灾害十分严重，随着煤矿的开采深度进一步加大，此灾害更加严重。在竖井揭煤的过程中，由于煤层原有的应力状态受到了破坏，因此,在集中应力和瓦斯压力的共同作用下极易发生煤与瓦斯突出。俞启香、程远平等发现在井筒底角会出现应力集中区域，在立井工作面未揭穿煤层之前通过井底的裂隙预先排放了部分卸压瓦斯，使井底煤层的瓦斯压力线出现漏斗形状，并通过排放与抽采措施相结合成功揭穿了突出煤层[1-4]。程建圣理论分析了竖井揭煤发生煤与瓦斯突出的机理，并运用RFPA软件分析了相同条件下不同直径井筒揭煤时最大、最小主应力和剪应力随井筒直径变化的关系[5]。余福德、魏平儒等在总结竖井瓦斯突出事故教训的基础上，提出了竖井揭煤的防突措施，并提出完善相关技术规范的建议[6-7]。李忠虎研究了竖井在揭大倾角煤层时瓦斯治理技术[8]。

竖井揭煤工作面周围应力与位移的变化对防治瓦斯突出至关重要，但是由于受现场及技术的限制，应力与位移的真实变化情况很难采用现场直接测定的方法获得，而FLAC3D等数值模拟软件为研究竖井揭煤工作周围应力与位移的变化提供了有效的研究手段。本文结合数值模拟结果和瓦斯突出防治措施，加强了对竖井揭煤过程中煤与瓦斯突出的认识，对工程实践具有指导作用。

1 地质背景与计算模型

某矿的主立井即将揭煤与瓦斯突出的8#煤，该地点的煤层埋深为850 m。本次数值模拟主要以该地点的地层条件为原型，利用FLAC3D软件构建三维计算模型。为了简化模型，提高计算机的运行速度，对实际地层条件进行了适当的简化。为了减弱边界效应的影响，同时考虑对顶、底板岩层影响的协调性，本次建立的模型尺寸长72 m，宽72 m，高92 m。

本次模型共划分了46 800个单元和47 886个节点，具体划分方法见图1。模型的具体边界条件如下：上部为应力边界，底部为全约束边界，前、后、左、右均为单约束边界，上部边界条件上施加的是上部岩体载荷重力。在煤层中厚面上设置一条观测线，观测距竖井工作面不同距离条件下煤层的垂直应力变化情况。

图1 数值模拟计算模型图

2 数值模拟结果与应用分析

2.1 垂直应力与位移分布云图

数值模拟的过程中，分别选取竖井工作面与煤层垂距为20 m、12 m、5 m三种情况下的结果进行对比，选取的剖面为XZ剖面，具体的垂直应力位移分布云图见图2，3，4。

a) 垂直应力云图 b) 垂直位移云图

a) 垂直应力云图 b) 垂直位移云图

a) 垂直应力云图 b) 垂直位移云图

根据垂直应力云图可知：竖井工作面下方煤岩体存在一个卸压区，大致成漏斗状，煤岩体的卸压程度随着远离竖井工作面中心而下降；在井筒四周、竖井工作面前后存在应力集中区，同一标高处，井壁四周的集中应力分布是不同的，倾斜煤层沿倾向以井轴为界分为两部分，上侧区域的应力集中度及影响范围较下侧区域大。在距煤层法距20 m处，井筒四周、竖井工作面前后应力集中范围为井筒壁外2 m左右，应力峰值为22 MPa(图2)；在距煤层法距10 m处，竖井工作面应力集中范围为井筒壁外约4～5 m，应力峰值为24 MPa(图3)；在距煤层法距5 m处，竖井工作面应力集中范围为井筒壁外4～6 m，应力峰值为26 MPa(图4)。

根据垂直位移云图可知：竖井工作面下方煤岩体向上移动，位移量与距竖井工作面中心的距离成反比，距井筒中心越近，位移量越大，位移场是与应力场基本相对应，大致也成漏斗状；在距井筒中心距离相等情况下，在井筒四周、竖井工作面前后井壁一定范围内，岩体向井筒中心移动量较其他地方小，这是由于该部分煤岩体存在应力集中区所致。

综上可知：竖井工作面与煤层之间的距离越小，煤层的卸压程度和卸压范围越大。井筒四周、立井工作面前后存在应力集中区；相同标高的地方，井筒周围的集中应力分布是不同的，倾斜煤层上侧区域由于重力的叠加作用，应力集中影响范围比下侧要大很多；随着竖井的进一步掘进，竖井周围的集中应力影响范围和程度会进一步增加。

2.2 竖井掘进过程中煤层应力的演化过程

通过对竖井工作面周围煤体的垂直应力与位移分布云图进行分析，获得了井筒掘进过程中，卸压区与应力集中区的应力分布规律。而竖井在掘进的过程中，煤层内的应力分布是一个动态变化过程，下面利用具体应力分布数据，对煤体内应力分布的动态演化过程进行分析，具体垂向应力变化规律见图5。

图5 煤层垂直应力与井筒中心距离的关系图

根据图5可知：随着井筒的延伸，煤层与竖井工作面的间距逐渐减小，工作面下方煤岩体卸压，垂直应力的分布呈“V”型分布。煤层距竖井工作面距离越近，煤层卸压范围和程度越大；距煤层距离<5 m时，煤层两帮开始出现应力集中区，应力集中区范围、峰值随距离变小而增加。竖井工作面距离煤层15 m时，煤层开始卸压，垂直应力开始降低，应力值最小为17.08 MPa(原岩应力值为18.5 MPa)，为原始应力的93％，卸压程度小，应力分布曲线平缓；距离煤层10 m时，井筒外缘约2 m范围内的煤体应力下降较明显，应力最小为15.6 MPa，为原岩应力的84.3％；井筒外缘约2 m以外，应力变化趋势平缓；距离煤层5 m时，井筒外缘约3 m范围内的煤体应力下降较明显，应力最小为14.41 MPa，井筒正下方的煤体卸压程度继续增大；在距井筒外缘4～5 m受应力集中影响，应力升高，应力峰值为18.9 MPa；距离煤层3 m时，井筒正下方的煤体卸压程度继续增大，最小的垂直应力为12.75 MPa，为原始应力的68％，在距井筒外缘4～6 m受应力集中影响，应力升高，应力峰值为19.35 MPa。

2.3 竖井揭煤的突出危险性分析

综合数值模拟可知，竖井工作面下方的煤体处于卸压状态；而在井筒四周、竖井工作面前后煤岩体存在应力集中区。竖井揭煤工作面下部存在“漏斗”型卸压区。而在井筒四周、立井工作面前后存在应力集中区，该区域由于煤体受压，导致孔隙降低，因此瓦斯压力和梯度均增加，进一步增加了该区域煤与瓦斯突出的危险性。如果这部分煤体瓦斯未被提前抽采，高压的瓦斯可能加速煤体的破坏，抛出煤体，发生突出。而当竖井工作面进入煤层一定距离后，此时煤层两帮受应力集中影响达到最大，在煤层瓦斯压力、地应力的作用下，极易造成煤与瓦斯突出事故。

当竖井掘进入煤层后，煤壁由于受应力集中、煤体自身重力的影响，尤其是倾斜煤层的上侧，此时最容易发生煤与瓦斯突出的事故。淮南望峰岗竖井进入煤层后3 m与河南义马矿业集团孟津煤矿竖井进入煤层后2 m的突出事故也验证了这一点。因此，在井筒进入煤层之前就必须采取加固煤体的措施。

2.4 结果应用分析

通过对竖井揭煤突出危险性分析可知，在施工消突抽排钻孔前，竖井工作面与煤层之间应预留一定厚度岩柱。对所揭煤层进行突出危险性预测时，所施工的钻孔应布置在井筒卸压区域以外，保证所测数值能够真实反映竖井揭煤的突出危险程度。抽排钻孔的控制范围应大于井筒四周应力集中区的范围，通过一定时间的瓦斯抽采，降低控制区域内的煤层压力和瓦斯含量。在井筒周围形成足够大的安全煤柱，才能确保井筒揭穿煤层时，安全煤柱将煤与瓦斯突出危险源隔离在竖井工作面外足够远的位置，使井筒揭煤工作面能安全过煤层。

根据竖井工作面附近垂直应力与位移变化情况、煤层垂直应力变化分析结果，并结合《防治煤与瓦斯突出规定》，提出该矿竖井揭8煤层时施工步骤如下：

1) 与煤层法距10～15 m时，施工3～5个地质勘探钻孔，利用该钻孔探明煤层位置，同时利用其进行区域预测，测定煤层瓦斯压力或瓦斯含量。

2) 法距7 m时，根据区域预测情况判断是否实施区域防突措施，区域防突措施钻孔需控制巷道轮廓线外12 m，同时还应当保证控制范围的外边缘到巷道轮廓线的最小距离不小于5 m；并经效果检验有效后，方可继续施工；如检验无效，必须继续补充区域防突措施，并再次检验有效后方可继续施工。

3) 法距5 m时，采用钻屑解吸指标K1和Δh2值对工作面的突出危险性进行预测，若有突出危险则必须采用局部防突措施，如瓦斯排放钻孔等。经局部检验有效后，在局部措施孔内仍需安装金属骨架，注入马丽散等实现加固煤体。然后恢复掘进，每一循环施工前必须进行效果检验，如有突出危险，则必须采取补充措施，直至完全消除突出危险。

4) 法距1.5～2 m时，需再次进行局部预测指标测试，只有所有测试指标均小于临界值时，方可采取安全措施，利用震动放炮揭开煤层。

3 结 论

1) 竖井揭煤工作面下部存在“漏斗”型卸压区，卸压程度由井筒中心向四周逐渐降低；竖井工作面与煤层之间应预留一定厚度岩柱，以保证区域预测钻孔布置在井筒卸压区域以外。

2) 井筒四周、立井工作面前后存在应力集中区，竖井距煤层距离法距5 m时，煤层两帮开始出现应力集中区，应力集中区范围为距井筒外4～6 m，钻孔控制范围应大于应力集中区范围。

3) 当竖井掘进入煤层后，煤壁由于受应力集中、煤体自身重力的影响，此时最容易发生煤与瓦斯突出事故。因此在井筒进入煤层之前必须采取加固煤体的措施。

4) 本文提出的将井筒揭煤分成四步并分别采取对应措施，可以为其它矿井的井筒揭煤提供借鉴。

参 考 文 献

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992：118-120．

[2]程远平，俞启香.立井工作面接近煤层是的应力分布及预防煤与瓦斯突出的方法[J].中国矿业大学学报，1991，20(2)：27-32.

[3]俞启香.立井安全穿过煤与瓦斯突出煤层技术[C]//煤矿瓦斯灾害防治理论研究与工程实践.徐州：中国矿业大学出版社，2005：72-77.

[4]刘洪永，程远平，周红星,等.立井煤与瓦斯突出危险性分析及防突措施[J].采矿与安全工程学报，2007，24(2)：173-177．

[5]程建圣.立井掘进过程中的煤与瓦斯突出动力现象研究[D].淮南：安徽理工大学硕士论文，2006．

[6]余福德，习名修.从一起重大煤与瓦斯突出事故立井揭煤防突措施[J].中国科学信息，2007(17)：26-29．

[7]魏平儒，史宗保．井筒揭煤预防煤与瓦斯突出的对策[J]．煤矿安全，2008，75(3)：77-79．

[8]李忠虎．立井揭穿大倾角强突出煤层技术[J]．中国矿山工程，2007，36(5)：23-26.