近距离上保护层采动效应的数值模拟及分析

高 翔，龙 贺

(1.山西汾西矿业集团 柳湾煤矿，山西 孝义 032303；2.山东井亭实业有限公司 生产技术部，山东 枣庄 277525)

·试验研究·

近距离上保护层采动效应的数值模拟及分析

高 翔1，龙 贺2

(1.山西汾西矿业集团 柳湾煤矿，山西 孝义 032303；2.山东井亭实业有限公司 生产技术部，山东 枣庄 277525)

为了确定近距离上保护煤层开采对下部煤层的影响，通过数值模拟建立了基于某矿3527工作面的分析模型，通过分析上层煤开采过程中围岩应力、被保护层保护区域顶底板应力、保护层与被保护层顶底板位移变化等参数，确定3527近距离上保护层工作面回采时，底板位移最大变形量为66 mm，被保护层被保护区域内顶板的位移变化量为15～57 mm，底板的位移变化量为12～47 mm，该方案可以为确定合理煤层群开采提供指导。

上保护层；煤层群；应力分布；位移变化；数值模拟

在开采近距离高瓦斯煤层群时，首先开采具有突出危险性的上煤层，并通过上煤层采用穿层钻孔，对下层煤进行瓦斯抽采，该上层煤称为高瓦斯煤层的保护层，高瓦斯煤层为被保护煤层。该方案是防治近距离煤层突出危险的经济有效的方法。通过数值模拟软件对保护层采动效应进行数值模拟，可以为工程实践提供参考。

1 模型建立

数值模型的建立应根据工程现场的实际情况并结合相关专业研究理论进行。矿井近距离上保护层开采期间，未对上保护层开采的卸压角进行过实测，因此，保护层沿倾向方向卸压角以及卸压范围参照《防治煤与瓦斯突出规定》(2009 年版)的要求进行选取。

某矿3527近距离上保护层工作面煤层倾角平均20°，当上保护层倾角为20°时，保护层沿倾斜方向卸压角按75°选取。保护层工作面沿倾斜方向的保护范围示意图见图1.

图1 保护层工作面沿倾斜方向保护范围示意图

3527近距离上保护层工作面回采长度78 m，平均可采厚度1.30 m，埋深385～455 m，取平均埋深420 m，II煤近距离上保护层与III煤平均间距在10～15 m，根据近距离上保护层工作面回采长度、煤层赋存埋深以及近距离上保护层与被保护层层间距，建立3527近距离上保护层工作面回采期间，底板煤岩层应力和位移变化的数值模型，并进行数值模拟。工作面相关参数见表1.

表1 试验工作面相关参数表

在CAD中绘制出近距离上保护层开采期间应力、位移模型，通过COMSOL与CAD连接，将模型导入COMSOL.根据设置的数值模型和现场实际情况，采用COMSOL模拟软件中的固体力学模块进行数值模拟，固体力学模型方程表述形式如公式(1)所示：

-▽·σ=F·v

(1)

根据固体力学数值模型，模拟受应力载荷作用下应力、位移的变化分布情况。模拟时，煤岩层视为弹塑性理想体，采动过程中煤岩层变形服从德鲁克-普拉格(Drucker-Prager，简称D-P准则)屈服条件，将模型的左右边界设定为固定边界，辊支撑结构，模型上边界受到采动影响发生位移变化，设定为自由边界，下边界设定为固定边界，根据矿井煤层赋存特征、上覆岩层岩性、煤层埋藏深度，通过q=∑ρgh计算工作面平均应力载荷，其中，ρ为上覆岩层的平均密度，取平均值2 500 kg/m3，g为重力加速度，计算得出3527近距离上保护层工作面平均应力载荷10.50 MPa. 近距离上保护层开采底板煤岩层采动效应见表2.

表2 近距离上保护层开采底板煤岩层采动效应表

2 应力分布数值模拟分析

根据近距离上保护层底板煤岩层采动效应数值模拟模型、相关参数以及相关条件设定，对近距离上保护层底板煤岩层采动效应进行数值模拟，3527近距离上保护层开采期间，应力分布数值模拟云图见图2，图3.

图2 近距离上保护层开挖时应力分布云图1

图3 近距离上保护层开挖时应力分布云图2

从图2，图3可以看出：3527近距离上保护层开采期间，沿工作面倾斜方向，离底板越近应力变化幅度越大，离底板越远变化幅度越小，反映出近距离上保护层开采期间，煤岩层应力随着距煤层底板垂直距离的加大，呈现减弱、缓和的趋势。

位于近距离上保护层采空空间下部的底板煤岩层应力变化沿深度方向呈“V”字形分布，即采空区下部中间部位煤岩层应力减小程度最大，随着距采空区中心距离的增大，应力减小程度逐渐降低，位于近距离上保护层回采巷道影响区内的煤岩层，所承受的应力增大，出现应力集中。

3 被保护层被保护区域顶底板应力变化

3527近距离上保护层开采期间，III号煤层受采动影响的被保护区域内煤层顶板、底板所受压应力分布数值模拟曲线图见图4.

从图4可以看出：沿煤层倾向方向，位于保护层采空区中部区域的被保护层卸压程度最大，随着距离采空区中部位置距离的增大，卸压程度呈减缓趋势。

4 保护层底板和被保护层顶底位移变化特征

保护层开采期间，处于工作面切眼前方一定范围内的底板煤岩层受超前应力作用压缩，处于工作面采空区后方的底板煤岩层卸压后向采空空间鼓起，正是由于底板煤岩层一定范围内受采动影响而出现的变形破坏差异性，使底板煤岩层产生不同程度的裂隙。

煤层开采过后，工作面后方采空区为底板煤岩层的膨胀变形提供了较大的临空面，使位于采空区下方底板煤岩层向采空区移动，同时，底板煤岩层在应力状态变化的情况下，向临空面发生变形甚至破坏。

图4 保护层开挖时被保护层顶、底板应力变化曲线图

保护层开采期间，不管是底板煤岩层的上下错动，还是膨胀变形，其发生的前提条件是在上保护层开采过后，底板煤岩层位移的产生和变化。

4.1 近距离上保护层工作面底板位移变化

3527近距离上保护层工作面开采期间，保护层工作面采空区内底板位移变化曲线见图5.

从图5可以看出：从煤层倾向方向上看，保护层工作面采空区内底板位移变化呈“拱形”分布；根据数值模拟计算结果，当埋深420 m、工作面长度78 m的3527近距离上保护层工作面回采时，底板位移最大变化量为66 mm.

图5 被保护层采空区内沿倾向底板位移变化曲线图

4.2 被保护层被保护区域顶底板位移变化

3527近距离上保护层工作面开采期间，被保护层被保护区域内顶板、底板的位移变化曲线见图6.

图6 被保护层被保护区域顶、底板位移变化曲线图

从图6可以看出：从煤层倾向方向上看，被保护层被保护区域内顶板和底板的位移变化呈“拱形”分布；根据数值模拟计算结果，当埋深420 m、工作面长度78 m的3527近距离上保护层工作面回采时，被保护层被保护区域内顶板的位移变化量为15～57 mm，被保护层被保护区域内底板的位移变化量为12～47 m.

5 结 论

本文从保护层开采采动效应观点出发，阐述了保护层开采期间底板煤岩层应力、位移变化特征以及渗透特性变化特征，通过相关数值计算和理论分析，得出的主要结论如下：

1) 3527近距离上保护层开采期间，位于近距离上保护层采空空间下部的底板煤岩层应力变化沿深度方向呈“V”字形分布，即位于保护层采空区中部区域的被保护层卸压程度最大，随着距离采空区中部距离的增大，卸压程度呈减缓趋势。

2) 从煤层倾向方向上看，保护层工作面采空区内底板位移变化呈“拱形”分布，当埋深420 m、工作面长度78 m的3527近距离上保护层工作面回采时，底板位移最大变化量为66 mm.

3) 从煤层倾斜方向上看，被保护层被保护区域内顶板和底板的位移变化呈“拱形”分布，当埋深420 m、工作面长度78 m的3527近距离上保护层工作面回采时，被保护层被保护区域内顶板的位移变化量为15～57 mm，底板的位移变化量为12～47 mm.

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TD322

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：1672-0652(2017)07-0004-03

2017-06-06

高 翔(1979—)，男，山西介休人，2008年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿开采工作(E-mail)zfg3259@163.com