远距离上保护层开采的数值模拟分析研究

申志勇 苏静 蒋兴义 李久錇 欧一昌 王晓双

摘要：为了模拟远距离煤层下保护层开采过程中顶底板煤岩层破裂移动规律，以及随着下保护层工作面推进，上保护层煤层产生的变形和应力分布特征，从而分析远距离下保护煤层开采时上覆煤岩层的卸压效果。采用UDEC软件构建了走向模型，通过数值模拟分析得出：1）随着工作面的不断推进，裂隙的范围不断增大，以大致相似的裂隙分布形状周期性向前发育;2）在保护层开采过程中，煤岩层的应力是动态变化的，随着工作面的不断推进;3）在工作面前方和切眼外侧附近煤岩层出现应力集中现象，垂直应力达到20MPa，应力影响范围约为20m左右;同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m～20m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域围岩应力趋于恢复稳定。

关键词：远距离;保护层;卸压开采;数值模拟

0引言

下保护层开采是解决低透气性高瓦斯煤层群安全高效开采的有效途径，贵州省大部分矿井是典型矿区低透气性、高瓦斯、近距离煤层群、煤与瓦斯突出概率高。然而上覆岩层中的薄煤层群开采受工作面断层地质构造复杂的限制，主要问题集中为：1）薄煤层开采成本高，经济效益低;2）开采环境恶劣，不宜综合开采，安全隐患大。尤其在开采下保护层厚煤层后，上覆煤岩裂隙卸压、失稳、起裂、张裂、裂隙萎缩、变小、吻合、封闭的动态演化更加明显。

文章研究的关键是运用数值模拟方法对远距离下保护层开采的采场应力场特征及工作面矿压显现规律、上覆岩层活动机理、远距离下保护层卸压开采的卸压范围以及卸压保护效果进行研究分析，进而为远距离上被保护煤层卸压增透、煤层瓦斯抽采设计提供理论依据。

1工程概况

某典型矿区矿井S1303工作面为13号煤层的综采工作面，位于南采区S+1317新回风石门以南，工作面上限标高+1391m，下限标高+1312m，南以切眼为界，北以预计停采线为界。S1303工作面上覆S1101、S1101中工作面采空区，工作面距采空区法向距离4m，上区段為S1301、S1301中工作面采空区，工作面地面对应位置为段家岩往东350～1200m，地面为表土不厚的顺向坡堆积物。工作面距地表垂深560～645m。S1303工作面位于南采区S+1317新回风石门以南，工作面上限标高+1391m，下限标高+1312m，南以切眼为界，北以预计停采线为界。S1303工作面布置示意图如图1所示。

2 远距离上保护层开采的数值模拟研究

2.1 模型的建立及参数的选取

以1303工作面沿走向剖面为现场模型，构建大河边煤矿13号煤层下保护层1303倾斜长壁工作面数值计算模型，如图4-2所示。构建工作面走向模型的尺寸为400×92.3m（长×高），模型模拟13号煤层平均厚度为2.3m，采高为2.3m，埋深平均600m，上方3号煤层厚度为0.8m，间距为57.8m。模型为应力应变数值计算模型，采用位移边界约束，模型下部边界沿 、左右边界沿 的位移速度为0，模型上边界为自由边界，施加上覆岩层的自重载荷为15.3MPa。

2.2 下保护层卸压开采采动裂隙演化规律

为模拟13号煤层回采时采动裂隙的演化规律，从模型左边距边界75m处开切眼向右进行开挖推进，模拟从开挖75m开始，分别模拟推进30m、60m、90m、120m、150m五个回采段。采用UDEC数值模拟软件模拟了工作面推进不同距离时的沿煤层走向剖面围岩、顶底板裂隙及垂直应力分布情况，数值模拟结果如图3所示。

通过数值模拟结果分析可知：开切眼形成以后，上覆岩层悬露，引起直接顶膨胀变形，随着工作面向前推进，上覆岩层和顶板岩层向采空区发生膨胀变形。当工作面开挖30 m左右时，如图4（a）所示，采空区上覆岩层和底板岩层裂隙开始发育扩展。随着工作面的不断推进，围岩应力不断发生变化， 3号煤层受到采动影响，采空区上方煤岩层出现卸压区，垂直应力在5～15MPa之间，但卸压范围小，卸压程度比较低。工作面推进到60m时，如图4（b）所示，基本顶发生周期性来压，工作面覆岩发生剧烈来压现象，顶底板裂隙发育充分，不断向顶底板煤岩层深部发育扩展，浅部煤岩层主要产生穿层、离层裂隙，裂隙交叉贯通，并与采空区中的裂隙沟通，深部主要产生离层张裂隙，离层和穿层裂隙构成卸压瓦斯运移的通道。由图中围岩应力分布可知，工作面前方和切眼外侧附近煤岩层出现应力集中现象，垂直应力达到20MPa，应力影响范围约为15m左右;同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m～20m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域围岩应力趋于恢复稳定。

随着工作面的继续推进，如图4（c）、图4（d），图4（e）所示，直接顶不断冒落，基本顶周期性来压，受采动的影响，上覆岩层和底板岩层在垂直应力和水平应力的共同作用下，不断的发生变形破坏运动，穿层、离层裂隙不断的发展，并随着工作面的推进不断向前和顶底板深部发育扩展，离层裂隙主要分布在采空区基本顶上方5m以上，穿层裂隙分布在基本顶上方和采空区底板下方5m范围以内。随着顶板岩层的不断垮落，采空区冒落岩石逐渐被压实，工作面后方一定距离的底板应力逐渐恢复稳定状态，煤层底板始终处于采前压缩、采后膨胀和恢复稳定状态的过程。由图中围岩应力分布可知，3号煤层垂直应力值约为10Mpa，约为原岩应力值的2/3，卸压程度进一步的增大，同时3号煤层的卸压范围也进一步扩大;工作面推进到150m时，采空区不断被直接顶垮落岩石充填，采空区中部垮落岩石重新趋于压实，使得采空区中部围岩的垂直应力已基本恢复至原岩应力，但在采空区两侧仍各保持一个卸压区，因而在采空区四周形成一个垂直应力降低区，它与采动裂隙“O”形圈是对应的。

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作者简介：

申志勇（1998.09-），男，仡佬族，贵州省务川县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202110977113）