保护层开采中的数值模拟研究

陆凯 尹彬

摘 要：针对义安矿2#煤层瓦斯含量高，煤层透气性差的问题，结合矿井的实际条件，应用模拟软件建立起相应的数学模型，模拟对煤层上保护层进行开采，并根据开采保护层前后应力、应变的变化情况分析其卸压效果。结果显示，保护层开采后，被保护层产生明显塑性变形，其内部的瓦斯将由保护层向采空区运移；开采保护层厚度越大，采动影响范围越大，卸压作用越明显。

关键词：保护层开采 瓦斯突出 数值模拟 分析

中图分类号：TD713.31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0036-02

在防治煤与瓦斯突出的区域性防突措施中，开采保护层是最有效的一种方法，并在一些突出矿井得到了广泛应用[1-2]。保护层开采能使突出危险煤层的应力状态和瓦斯动力状态发生改变，使被保护层卸压，增大煤层的透气性，从而有利于被保护层的瓦斯流动、解吸，最终达到预防煤与瓦斯突出的目的[3]。在研究保护层开采过程中，被保护层的变形特性对实际生产中保护层开采方案的实施具有重要的意义。数值模拟作为一种力学分析工具，已被学术界和工程界广泛接受[4-5]，利用数值模拟的方法对保护层开采进行研究是一种新的尝试。

1 Flac3D软件介绍

Flac3D是由美国ITASCA咨询公司开发的三维快速拉格朗日分析程序，它以有限差分法为理论基础，利用三维计算机程序模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学特征，特别适合用于分析渐进破坏失稳以及模拟大变形[6-7]。FLAC3D内置了11种材料本构模型和5种计算模式，可以模拟多种结构形式，被广泛应用于各种岩土工程领域。FLAC3D还有优秀的后处理功能，可以绘制多种曲线和图形，如等应力线、等位移线等，可以为用户分析模拟结果提供了极大的方便。

2 矿井概况

河南义马煤业集团义安矿位于洛阳市新安县境内，为煤与瓦斯突出矿井。二#煤层为主要可采煤层，平均采厚5.0 m，为缓倾斜煤层，倾角为0°～5°，可认为是水平煤层，平均埋藏深度是550 m。主要岩层及力学参数如表1所示。本煤层瓦斯含量高，煤层原始透气性系数较低，在掘进工作面时经常发生瓦斯超限现象，目前主要采用高位钻孔的方法抽放被保护层瓦斯，但效果并不明显，用开采保护层的方法进行卸压很有必要。

3 数值模拟分析

3.1 建立模型

义安矿二号煤层保护层开采模型中，高度按需要研究范围内的地层总高度计算，取65 m，宽度按照工作面长度100 m模拟，长度取200 m。整个模型共分8层，模型（长×宽×高）为200 m×100 m×65 m，共划分13000个单元，模型见图1。由于研究对象为煤层和岩层，其本构关系符合摩尔-库伦准则，所以本次数值模拟模型采用摩尔-库伦本构模型。

Flac3D模型的初始条件为位移边界条件和应力边界条件。由于模型选取的只是煤矿开采范围的一部分，所以对边界条件的设定为X正负方向上约束为0，Y正负方向上约束为0，Z负方向上约束为0。模型处于重力场中，运算时施加重力场作用Z负方向重力加速度为9.81。模型顶部设定均布载荷8.2 MPa。

3.2 数值分析

赋予各岩层合理的物理参数后，用solve命令设定模型的求解方法，用model null 模型控制对保护层的开采，设定开挖10m。Flac3D能很好地模拟各岩层应力和应变分布。

由图2可知，煤层倾向最大应力为14～

18 MPa，走向最大应力为16～18 MPa。倾向方向应力分布有明显的突变，致使局部区域内应力集中，对安全回采带来隐患。

对整个过程进行位移稳定性分析，如图3所示，为开挖后最大不平衡力与时间（步长）的关系。

从图中曲线中可以看出，巷道围岩不平衡力在建模后有一个调整阶段，然后逐渐趋于稳定，在开采保护层后迅速有大幅的调整，之后又稳定下来，说明被保护煤层产生了明显的卸压现象。

上保护层开挖以后，上覆岩层产生的运动变形明显大于底板，但是底板也会产生明显的变形，所不同的是，底板产生最大变形的区域明显滞后于上保护层工作面一段距离。随着保护层的继续被开采，被开挖的保护层顶底板内将形成塑性变形区域。在上保护层的顶底板形成的塑性变形区域会随着开挖距离的增大而增大。被保护层内也将受到明显的塑性变形的影响，如果被保护层中高瓦斯或者有突出倾向的煤层，其内部的瓦斯压力将被释放出来，瓦斯将从采动产生的裂隙中不断运移到上保护层的采空区，从而达到对保护层的卸压释放效果。

不同地质条件下，开采不同厚度、不同倾角以及不同力学特性上保护层，其各岩层内应力的演化并不形同。如图4所示，a和b分别为开采保护层厚度为1.0 m和4.0 m时，开挖后其应力演化情况。

图4中，保护层厚度不同时，上保护层开采对保护层作用的影响具有很大不同。在开挖相同距离时，上保护层厚度越大，对保护层有效采动影响的范围越大，产生的采动卸压作用就越明显，越有利于被保护层的瓦斯流动和释放。

4 结语

该文利用数值模拟对义安煤矿2#煤层上保护层开采进行了模拟，得到结论如下：

（1）保护层开采后，被保护层产生了明显的塑性变形，其内部的瓦斯将由保护层向采空区运移，达到卸压的目的。

（2）开采保护层厚度越大，采动影响范围越大，卸压作用越明显。

（3）通过FLAC软件所获得的模拟结果是具有指导意义的，把模拟结果与生产实践相结合，将有助于实现高瓦斯及突出矿井的安全高效生产。

参考文献

[1]程远平，周德永，俞启香，等.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究[J].采矿与安全学报，2006，23（1）：12-18.

[2]石必明，俞启香，王凯.远程保护层开采上覆煤层透气性动态演化规律试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25 （9）：1917-1921.

[3]王文.远距离下保护层开采卸压增透特性研究[D].焦作：河南理土大学，2009.

[4]王永秀，齐庆新.华丰矿保护层开采数值模拟研究[J].煤矿开采，2003（12）：4-7.

[5]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，

33（1）：17-22.

[6]彭文斌.FLAC3D使用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7]刘夕才.软岩巷道变形的粘弹塑性有限元分析[J].中国矿业，1996，5（2）：43-47.