远距离下保护层开采卸压效果数值模拟研究

方家虎高 雅张 洋甄子超李 志

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院,河南省信阳市,464000)



远距离下保护层开采卸压效果数值模拟研究

方家虎1高 雅1张 洋2甄子超1李 志1

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院,河南省信阳市,464000)

摘 要以芦岭煤矿远距离下保护层(即Ⅲ11软岩工作面)开采作为工程背景,采用FLAC3D数值模拟技术,通过对虚拟监测点数据的统计分析,研究了下保护层开采过程中被保护8(＃)煤层的应力变化规律、膨胀变形程度及瓦斯压力变化规律。模拟结果显示:随保护层开采范围的不断增大,8(＃)煤层垂直应力、最大主应力及最小主应力变化量均超过10％;厚度变形量超过3‰;且在保护层开采中后期8(＃)煤层瓦斯压力低于国家防突规定的临界值0.74 MPa,表明下保护层开采对被保护的8(＃)煤层起到卸压保护作用。

关键词下保护层开采 应力变化 煤层膨胀变形 瓦斯压力 卸压效果

Numerical simulation study on stress release effect of remote underside protective seam mining

Fang Jiahu1,Gao Ya1,Zhang Yang2,Zhen Zichao1,Li Zhi1
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.No.3 Institute of Geological&Mineral Resources Survey of Henan Geological Bureau,Xinyang,Henan 464000,China)

Abstract Taking remote underside protective seam(Ⅲ11 soft rock face)mining in Luling Coal Mine as engineering background,using FLAC 3D numerical simulation technique and through statistical analysis of virtual monitoring points,the stresses change law,swelling deformation degree and gas pressure change law of the protected No.8 coal seam in the process of remote underside protective seam mining were studied.Simulation results showed that with the increasing of protective seam mining areas,the variation of vertical stress,maximum principal stress and minimum principal stress of the No.8 coal seam were all more than 10％,the thickness deformation was more than 3‰,and in the middle and later periods of protective seam mining,the gas pressure of the No.8 coal seam was lower than the critical value of state burst prevention regulation 0.74 MPa,which indicated that the underside protective layer mining played a important role in pressure releasing and protection of the protected No.8 coal seam.

Key words underside protective seam mining,stress change,swelling deformation of seam,gas pressure,stress release effect

1　前言

目前,我国煤与瓦斯突出防治的区域性措施有开采保护层、预抽煤体中的瓦斯和煤层注水.其中开采保护层是最经济、最有效的方法.开采保护层主要目的是增大煤层的膨胀变形,对保护层进行卸压,增大煤层的透气性,降低被保护层瓦斯能量.

当前煤矿多会选择开采与突出煤层邻近而又无突出危险的煤层作为保护层,且对于保护层开采的研究也多集中在矿山压力的卸除作用,对软岩保护层开采卸压效果的研究鲜有报道.因此,本文以芦岭煤矿远距离软岩下保护层开采为工程背景,利用FLAC3D软件数值模拟研究结果为依据,对软岩保护层开采卸压效果进行综合分析.

2　研究区地质概况

研究区内主采煤层为8＃、9＃、10＃煤层,8＃、9＃煤层有严重的突出危险性,10＃煤层的突出危险性次之.矿方经过多次研究论证,选择在10＃煤层至9＃煤间开采一层软岩,作为本区域8＃煤层的下保护层(即Ⅲ11软岩工作面).

保护层为泥岩岩层,厚度3～7 m,呈层状、似层状,单斜产状,走向呈近东西向,倾角15°～52°.沿倾向上部较下部薄,倾向上厚度变化相对稳定.8＃煤层厚6.28～13.25 m,保护层与8＃煤层底板间法距58～68 m,8＃、9＃煤层与10＃煤层间平均法距为84 m,研究区8＃煤层与保护层相对位置示意图见图1.

图1　保护层与煤层相对位置示意图

3　数值模拟模型的建立

3.1数值计算模型

根据芦岭煤矿Ⅲ11岩石工作面的实际情况,结合研究区的地质测绘成果及各岩层资料,利用FLAC3D数值模拟软件建立了研究区三维数值模拟模型.

为了降低边界条件对模拟结果的影响,模型前后、左右各预留100 m的保护煤(岩)柱,模型的大小为400 m×320 m×323 m.模拟开采工作面长度为200 m,采高为5.1 m,开采步距为10 m/步,开采分20个阶段进行.在FLAC3D软件平台下,通过Fish语言对研究区的单元体层位进行识别,模型共划分出84480个单元,90651个节点,保护层开采模型如图2所示.

图2　保护层开采模型示意图

在模型前后和左右边界,采用零位移边界条件,具体处理如下:前后和左右边界取u＝0,v≠0(u为x方向位移,v为y方向位移),即单约束边界;下部边界取u＝v＝0,为全约束边界;顶面受上覆土层地应力,按照至地表的土体自重施加垂直方向上的荷载.

3.2岩石力学参数

通过对矿方提供的岩石力学试验参数的遴选,综合分析得到研究区各岩层物理力学参数,见表1.

表1　保护层开采地质模型各岩层物理力学参数

4　数值模拟结果及分析

4.1覆岩应力场与位移场变化规律

保护层开采后,其上覆岩层会发生破坏和位移,位于不同层位的岩层,其变形与破裂形态有较大差异.由于覆岩变化中伴随着8＃煤层瓦斯的运移,所以,研究保护层开采后覆岩“上三带”分布规律对被保护煤层瓦斯防治具有重要意义.

本次在保护层顶板以上覆岩层内布置了8个虚拟监测点,记录其应力场及位移场的变化,监测点分别位于保护层顶板以上2.98 m、17.78 m、37.76 m、49.67 m、55 m、67.49 m、74.8 m及172.8 m处.通过对监测数据处理分析得出保护层开采后覆岩应力和位移变化规律.

4.1.1覆岩应力变化分析

以保护层工作面的推进距离为横坐标,模拟监测点垂直应力为纵坐标,作出保护层开采覆岩垂直应力变化曲线,如图3(a)所示.

图3　保护层开采覆岩垂直应力和位移随工作面推进变化曲线

随着工作面向前推进,各监测点处应力的总体变化趋势为先缓慢上升到达峰值后,迅速下降应力释放,覆岩卸荷膨胀变形,产生裂隙,最后应力趋于新的平衡.2.98 m与17.78 m处覆岩在工作面推进到80 m左右时达到峰值,且当工作面推进到100 m处时,2.98 m、17.78 m处覆岩出现应力释放,应力值迅速降至接近0,之后也没有明显地随着工作面的推进而回升,说明此处岩层已经严重破坏,形成卸压区,位于垮落带内,裂隙很多.而位于49.67～74.8 m处覆岩的垂直应力变化比较一致,由于距离保护层远,相对2.98 m及17.78 m处覆岩,应力变化幅度也较小,表明其受采动影响也较小,即处于弯曲下沉带内.而距保护层172.8 m处覆岩的应力场基本没有变化,受采动影响非常微弱.已知8＃煤层底板距保护层58～68 m,分析可得被保护的8＃煤层位于弯曲下沉带内.

4.1.2覆岩位移变化分析

以保护层工作面的推进距离为横坐标,模拟监测点垂直位移为纵坐标,作出保护层开采覆岩垂直位移变化曲线,如图3(b)所示.各监测点处的垂直位移出现明显的分组增长规律,其中,由于距保护层较近,2.98 m与17.78 m处覆岩的垂直位移最大,垂直位移量最大可达到1.215 m;49.67 ～172.8 m内5个监测点处覆岩的垂直位移增加幅度最小,表明有裂隙产生,但不发育,位移变化具有同步性;37.76 m处覆岩的垂直位移量居中.由此可见在17.78 m与37.76 m间产生穿层裂隙,37.76 m与49.67 m间出现了离层裂隙,最大离层量约0.267 m,被保护的8＃煤层瓦斯主要集中运移到离层裂隙中.

而从工作面的位置与各监测点处覆岩的垂直位移量的关系来看,随着工作面的推进,覆岩垂直位移缓慢增大,在工作面推进到80～100 m时,垂直位移的增加量很大,表明这期间内覆岩移动明显,裂隙快速发育,之后各监测点处垂直位移增大的速率趋缓.

4.2被保护的8＃煤层应力变化分析

被保护的8＃煤层应力变化情况直接影响到煤层的膨胀变形程度.因此,通过对8＃煤层监测点应力数据的统计分析,得到相应的应力变化曲线,见图4(a),并且在此基础上统计出被保护的8＃煤层应力变化量,作出8＃煤层应力变化量曲线,见图4(b).

开采初期,采动对被保护煤层的影响很小,应力分布均匀,随着工作面的推进,影响越来越明显,表现为应力呈集中状态,缓慢增加,在工作面推进到80～100 m时,8＃煤层垂直应力、最大主应力及最小主应力都迅速下降,卸压明显,最后各应力趋于新的平衡.与应力变化情况相似,随着工作面的推进,被保护的8＃煤层应力变化量总体趋势是先缓慢增加,继而出现跃变,最后趋于稳定,应力变化量在工作面推进到中部时也出现了明显的跃变.

图4　8＃煤层应力变化及应力变化量曲线

由于距保护层开挖面近,8＃煤层底部的垂直应力、最大主应力及最小主应力的卸压效果要好于顶部,且由图4可知,保护层开采前,即工作面推进至0 m时,8＃煤层垂直应力、最大主应力及最小主应力分别为14.73 MPa、11 MPa、18.06 MPa,工作面推进至200 m左右,各应力的变化量最大,分别为4.073 MPa、2.662 MPa、7.66 MPa.计算可得各应力的最大变化量分别达到27.65％、24.20％、42.40％,均超过10％.表明保护层开采后8＃煤层卸压较充分,卸压效果明显.

4.3被保护的8＃煤层膨胀变形分析

《防治煤与瓦斯突出规定》中规定:突出矿井首次开采某个保护层时,应当对被保护层进行区域措施效果检验及保护范围的实际考察.如果被保护层的最大膨胀变形量大于3‰,则检验和考察结果可适用于其他区域的同一保护层和被保护层.否则,应当对每个预计的被保护区域进行区域措施效果检验.因此,本次以3‰的变形量为标准对被保护的8＃煤层卸压效果进行评价.

通过对监测点数据的统计分析,得到8＃煤层顶部、中部及底部垂直位移变化曲线及8＃煤层煤厚变化曲线,见图5.

图5　8＃煤层垂直位移变化曲线及煤层厚度变化曲线

如图5(a)所示,随着工作面的推进,8＃煤层向下的垂直位移逐渐增大,工作面推进到80～100 m时,8＃煤层垂直位移的增加速率明显大于0 ～80 m推进段,且煤层底部的垂直位移变化量明显大于顶部,表明保护层的开采对被保护煤层底部的卸压效果好于顶部.

如图5(b)所示,8＃煤层厚度变化规律与其垂直位移变化规律具有一致性,随着工作面的推进,8＃煤层厚度变形逐渐增大,表明8＃煤层处在膨胀变形中,最后趋于稳定.图5显示保护层工作面开采至200 m时,8＃煤层厚度变形量最大,达到213 mm,而没有开挖时8＃煤层平均厚8.6 m,厚度变形量可达24.76‰,远超过《防治煤与瓦斯突出规定》的3‰,表明8＃煤层卸压较充分.

4.4被保护的8＃煤层瓦斯压力变化分析

根据《防治煤与瓦斯突出规定》中规定,当煤层瓦斯压力小于0.74 MPa时,确定为无突出危险区.通过对8＃煤层瓦斯压力数据的统计分析,绘制出8＃煤层瓦斯压力变化曲线,见图6.图中显示8＃煤层瓦斯压力初始值4.27 MPa,在工作面0 ～80 m的推进过程中,8＃煤层瓦斯压力呈缓慢降低的趋势,继而出现显著下降,并在工作面回采到120 m左右时,8＃煤层瓦斯压力开始低于国家防突规定的临界值0.74 MPa,此后持续缓慢下降,瓦斯压力趋于新平衡,表明开采保护层对于降低8＃煤层的瓦斯压力效果良好.保护层开采中后期,煤层卸压效果较好.

图6　8＃煤层瓦斯压力变化图

5　结论

(1)随着保护层开采范围的不断增大,被保护8＃煤层的卸压效果就越明显,保护层工作面推进到100 m左右,即保护层中部,被保护8＃煤层卸压效果最好.

(2)随着保护层开采范围的增大,被保护8＃煤层处于膨胀变形中,煤层厚度变形量超过3‰,而煤层垂直应力、最大主应力及最小主应力值变化量均超过10％,且保护层开采中后期瓦斯压力低于国家防突规定的临界值0.74 MPa,表明保护层开采后8＃煤层卸压效果较好.

(3)数值分析得出开采远距离下保护层对被保护的8＃煤层起到一定的卸压保护作用,建议在地面设计瓦斯钻孔进行瓦斯预抽采,预计可以实现有效消突,提高瓦斯综合利用程度.

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(责任编辑 张毅玲)

作者简介:方家虎(1966－),男,安徽桐城人,博士,中国矿业大学(北京)副教授,研究方向为矿井地质。

中图分类号TD353

文献标识码A