煤柱对被保护层卸压效果影响数值模拟研究

卢卫军

(山西煤炭运销集团 华阳煤业有限公司，山西　晋城　048017)



·试验研究·

煤柱对被保护层卸压效果影响数值模拟研究

卢卫军

(山西煤炭运销集团 华阳煤业有限公司，山西晋城048017)

为了研究保护层工作面留设不同宽度煤柱时，被保护煤层工作面卸压效果，本文以某煤矿1个保护层工作面为研究背景，利用FLAC3D数值模拟分析软件，获得不留设煤柱、留设煤柱分别为5 m、10 m、15 m时工作面膨胀变形量，得出随着煤柱宽度的增加，被保护层工作面的卸压效果越来越弱。该结论可以为被保护煤层工作面的卸压瓦斯抽采提供依据，对于其他条件类似的工作面具有参考意义。

保护层；数值模拟；区段煤柱；卸压效果

保护层开采技术是防止煤与瓦斯突出最经济、最有效的治理方法[1-3]. 某煤矿为高瓦斯矿井，主采煤层为9煤层和15煤层，9煤层和15煤层都是缓倾斜煤层，煤层倾角达到了22°. 9煤层结构简单，煤层平均厚度7.67 m，是煤与瓦斯突出煤层。15煤层上距9煤层57 m，煤层平均厚度1.9 m，赋存较稳定，为单一煤层，其瓦斯含量不大，为无突出危险煤层。因此，可利用保护层开采技术治理9煤层的瓦斯突出问题。为了更好地研究保护层不同宽度区段煤柱开采效果，需要对被保护层工作面膨胀变形量变化规律进行研究，进而优化被保护层的瓦斯治理措施。因此，本文通过数值模拟研究保护层不同宽度区段煤柱对被保护层工作面卸压效果的影响，为被保护层工作面的瓦斯治理提供依据。

1　FLAC-3D数值模型的建立

本次数值模拟按照该煤矿的地层条件，利用FLAC-3D软件进行建模。模型共分15层，模型长度360 m，宽度320 m，高317.2 m.综合模拟的边界效应按实际情况考虑，煤层和岩层倾角设定为22°，保护层15煤层采高设为1.9 m，被保护层9煤层为7.67 m.模型共包括70 850个单元。

模型的左、右、前、后及底面均为位移约束为零固定边界，上部边界不约束，为自由边界。上边界施加相应载荷10 MPa，模型重力加速度设置为9.8 m2/s.本构建模型采用FLAC3D摩尔库伦模型。综合模拟的边界效应按实际情况考虑，数值模拟中保护层15煤层工作面采高1.9 m，沿走向开采，工作面宽度120 m，长度200 m.走向两侧留设煤柱各60 m，倾向两侧留设煤柱根据方案不同，数值不同，最少50 m.工作面每推进50 m为1个开采循环，迭代时步2 000，共4个开采循环。

2　保护层开采模拟结果分析

模拟分析不留设煤柱和留设5 m煤柱、10 m煤柱和15 m煤柱之后的应力变化规律。《防突规定》中指出，当膨胀变形量大于3‰时，被保护层可得到足够的卸压增透效果[4,5].

2.1被保护煤层工作面位移量分析

保护层开采过后，受采动卸压的影响，被保护煤层外部应力失衡，煤层由最初在三向压力下的压缩状态转为膨胀变形，并在自身重力的作用下向采空区方向陷落并发生移动变形。

被保护煤层工作面沿倾向垂直位移变化曲线见图1，横坐标为工作面宽度，0 m处于工作面上辅巷处，1个工作面宽度为120 m，纵坐标为煤层位移量。当开采1个工作面时，位于工作面上方的9煤层下沉，最大下沉量出现在80 m处，为406 mm.由于煤层是倾斜的，下辅巷预留煤柱上方的9煤层下沉量明显比上辅巷大。无煤柱开采两个工作面后，9煤层的位移量显著增大，最大下沉量为1 180 mm，在135 m处。由于开采范围的扩大，相比1个工作面，上下辅巷预留煤柱上方的位移量也明显增大。在留设5 m、10 m和15 m煤柱情况下，开采两个工作面，由于煤柱的影响，使得9煤层的垂直位移量相比无煤柱时明显减少，煤柱越大，位移量越小。5 m煤柱时，8煤层的最大下沉量在185 m处，为827 mm；10 m煤柱时，9煤层的最大下沉量在195 m处，为791 mm；15 m煤柱时，8煤层的最大下沉量在205 m处，为716 mm.

图1　被保护煤层工作面沿倾向垂直位移变化曲线图

2.2被保护煤层工作面卸压效果分析

煤层膨胀变形率常作为保护层效果考察指标来说明煤层的裂隙发育状况。膨胀变形量越大，裂隙发育越良好，煤层透气性增加越明显，瓦斯解吸流动性越强，煤层的卸压效果越好。

开采1个工作面被保护层工作面膨胀变形量见图2，当开采1个工作面时，9煤层膨胀变形量最大为6.0‰，大于3‰的为虚横线上方，长度为85 m，这85 m的距离获得了充分的卸压增透效果，占工作面宽度的63%，没有达到1个工作面布置的要求。根据计算可得上辅巷卸压角为55°，下辅巷卸压角为84°.工作面两侧煤柱上方的被保护煤层被压缩，且由于是倾斜煤层，下辅巷预留煤柱上方的9煤层压缩变形量明显比上辅巷大，压缩变形量最大为1.3‰.煤层压缩变形，表明其处于支撑应力区，煤与瓦斯突出危险性增大。压缩变形区和充分卸压区存在1个过渡区，过渡区内的煤层地应力低于原始应力，煤层具有一定的膨胀变形，也显示出一定的卸压效果，但其膨胀变形量小于3‰，其卸压增透效果低于充分卸压保护范围的煤体。

开采2个工作面无煤柱被保护层工作面膨胀变形量见图3，当无煤柱开采2个工作面时，由于倾向上煤层的开采范围扩大，9煤层的最大膨胀变形量明显增大，9煤层膨胀变形量最大为8.0‰.膨胀变形大于3‰的范围也增大很多，长度约为180 m，占工作面宽度的75%.且两侧煤柱上方煤层的压缩程度也明显比1个工作面的大，压缩变形量最大为2.2‰,该区域的煤与瓦斯突出危险性比1个工作面时增大。

图3　开采2个工作面无煤柱被保护层膨胀变形量示意图

在留设5 m、10 m和15 m煤柱的情况下，开采2个工作面被保护层工作面膨胀变形量，示意图见图4～6.

图4　5 m煤柱时被保护层工作面膨胀变形量示意图

图5　10 m煤柱时被保护层工作面膨胀变形量示意图

由图4～6可知，由于煤柱的影响，9煤层的膨胀变形量相比无煤柱时明显减少。2个工作面留设煤柱上方的9煤层膨胀变形量相比两侧也明显减小，煤柱越长，减少的越多。5 m煤柱时，此处9煤层的最小膨胀变形量为4.3‰；10 m煤柱和15 m煤柱时，煤柱上方的9煤层产生一定的膨胀变形，显示出一定的卸压增透效果，但其膨胀变形量小于3‰，为2.6‰和1.8‰，长度约为30 m和50 m，其卸压增透效果低于充分卸压保护范围的煤体。

图6　15 m煤柱时被保护层工作面膨胀变形量示意图

3　结　论

根据被保护煤层工作面位移量和被保护煤层工作面卸压效果分析可知，随着煤柱宽度的增加，对被保护层的工作面的卸压效果影响增大，被保护煤层工作面的卸压效果也越来越弱。5 m煤柱时，膨胀变形量为4.3‰；10 m煤柱时，膨胀变形量为2.6‰；15 m煤柱时，膨胀变形量为1.8‰,5 m煤柱时，被保护层工作面最小膨胀变形量为4.3‰，超过3‰，工作面能够充分卸压，煤柱不会对被保护层相应煤体的开采带来不利影响。

[1]程远平．煤矿瓦斯防治理论与工程应用[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2010:1-10.

[2]俞启香，程远平．矿井瓦斯防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2012:12-16.

[3]王海峰．采场下伏煤岩体卸压作用原理及在被保护层卸压瓦斯抽采中的应用[D]．徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[4]国家安全生产监督管理总局．保护层开采技术规范[M]．北京：煤炭工业出版社，2009:2-7.

[5]石必明．远距离下保护层开采上覆煤层变形及透气性变化规律的研究[D].徐州：中国矿业大学,2004.

Numerical Simulation Study on the Effect of Coal Pillar to the Pressure Relief Effect of Protective Layer

LU Weijun

To study the pressure relief effect of protective coal seam working face in different coal pillar width of protected coal seam working face, a coal mine protective layer working face is as the engineering background, using FLAC3D numerical simulation analysis software, expansive deformation of working face are obtained, It is concludes that with the increase of coal pillar width, the pressure relief effect of protective layer more and more weak. It can provide a basis for protective coal seam working face pressure relief gas drainage and has a

ignificance for other similar conditions working face.

Protective layer; Numerical simulation; Section coal pillar; Effect of pressure relief

2016-05-15

卢卫军(1972—)，男，山西晋城人，1995年毕业于山西省煤炭中等专业学校，注册安全工程师，主要从事采矿技术管理工作

(E-mail)ww527473175@163.com

TD713

A

1672-0652(2016)06-0046-03