第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 : DOI 10． 13347 / j． cnki． mkaq． 2017． 01． 039 基于 FLAC3D 的急倾斜厚煤层卸压瓦斯抽采 数值模拟 ( 1． 吕梁学院 矿业工程系，山西 吕梁 033000; 2． 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024) 李根威1，王艳永1，蔡培培2 摘 要: 运用 FLAC3D模拟软件，对大黄山煤矿的急倾斜厚煤层开采过程进行卸压瓦斯抽采的数 值模拟，得出两层煤的应力分布规律及顶底板的位移变化规律。对中大槽煤层工作面底板煤岩 层的受力特性进行分析，认为有必要对卸压区域煤体进行瓦斯预抽和卸压瓦斯抽采。根据现场 实测数据得出，接替工作面残余瓦斯压力为 0． 21 MPa，残余瓦斯含量为 2． 873 m3 / t，可解析瓦斯 量为 0． 563 m3 / t，可判定该区域内瓦斯抽采效果达标。 关键词: 急倾斜厚煤层; 卸压瓦斯; 卸压开采; FLAC3D; 数值模拟 中图分类号: TD712 文章编号: 1003 － 496X( 2017) 01 － 0141 － 03 文献标志码: A Numerical Simulation of Pressure Ｒelief Gas Extraction in Steeply Inclined Thick Coal Seam Based on FLAC3D LI Genwei1 ，WANG Yanyong1 ，CAI Peipei2 ( 1． Department of Mining Engineering，Lyuliang University，Lyuliang 033000，China; 2． School of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China) Abstract: By using FLAC3D simulation software，the numerical simulation of pressure relief gas drainage was carried out in steeply in- clined thick coal seam mining process of Dahuangshan Coal Mine，and the stress distribution and displacement laws of roof and floor of two layers of coal was obtained． We analyze the coal and rock stress characteristics of the coal seam floor in the middle and large slots working face． It is necessary to carry out gas pre － extraction and pressure relief gas drainage． According to the measured data in field， the residual gas pressure of the replacing working surface is 0． 21 MPa，the residual gas content is 2． 873 m3 / t，and the amount of gas can be desorbed is 0． 563 m3 / t，which can determine that the gas drainage effect in this area is up to the standard． Key words: steeply inclined thick coal seam; pressure relief gas; pressure relief mining; FLAC3D; numerical simulation 煤矿在井下开采过程中，会对本煤层未开采部 相邻煤层都有一定的卸压作用，并会使得煤层的 、 ］ 分 渗透性增大，这样就对瓦斯抽采起到促进作用［ 。 近年来，尽管我国保护层卸压开采工程实践得以快 ］，但大多数研究停留在近水平煤层或者 速发展［ 倾角不大的煤层中，对急倾斜厚煤层这种特殊煤层 在开采过程中本煤层以及被保护层的卸压瓦斯的抽 采技术的研究甚少 3 － 5 1 － 2 。 研究急倾斜厚煤层群中本煤层与保护层卸压区 域应力的分布情况，从而获取本煤层和被保护层渗 透率分布规律，进而指导卸压瓦斯抽采方法选取 钻 、 孔布置参数及工程优化设计，最终实现卸压瓦斯抽 采量最大化，减少瓦斯排放量，杜绝瓦斯灾害事故的 发生，对我国煤矿瓦斯治理具有重大理论价值和现 实意义 。 1 基本概况 。 煤层 平均厚度 长度 中大槽煤层的平均厚度 八尺槽和中大槽为新疆大黄山矿一号井的主采 ，八尺槽煤层的 ，工作面 ，中大槽顶板厚度 ，中大槽和八尺 4． 24 m ，工作面倾向选择 25 m ，工作面走向长度 1 000 m 96 m 27° 30． 97 m 槽之间的间距为 ，八尺槽底板厚度 ［ 6 － 7 53． 56 m ］ 16． 2 m 。 2 FLAC3D简介 公司开发的三维快速拉格朗 FLAC3D由 日分析程序，是 其主要原理是 利用三维显式有限差分法，对材料进行基于拉格朗 ITASCA FLAC2D的一种升级 。 ·141· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 日算法的三维模拟分析，在分析渐进破坏和失稳以 及模拟大变形方面体现出了独到的优点［ ］ 8 模拟采用命令的方式来驱动程序，在建模过程 本构特性与材料特 模拟数据的 中的基本步骤: 有限差分网格 性 → 运算 边界条件与初始条件 开挖模拟 → → → 。 。 3 模型的建立 中大煤层 模 + 735 根据大黄山煤矿 八尺槽煤层以及其顶底板进行 、 工作面的实际情况，对 FLAC3D 建 模型建立时，在工作面各个方向留保护煤柱 ，采空区顶板采用部分垮落法，模型整体示意 。 100 m 图如图 1。 图 1 模型整体示意图 4 模拟结果分析 图 3 中大槽煤层底板位移云图 图 4 八尺槽顶板垂向位移变化图 经过计算机模拟，并运用 行后处理，得到中大槽煤层顶板 tecplot 对模拟数据进 底板的位移变化 ) ，以及八尺槽煤层顶底板的位移 、 云图( 图 分布图( 图 图 2、 3 图 4、 3D 3D ) 5 。 图 5 八尺槽底板垂向位移云图 近采空区倾向下部的鼓起量大于上部的鼓起量，而 在采空区四周的煤壁出现下沉现象，最大下沉量位 于煤层沿倾向方向的下部 。 5 。 从图 图 4、 中可以看出，八尺槽煤层的顶底板 在中大槽工作面采空区对应位置上都出现了不同程 度的上鼓现象，工作面煤壁处则出现了不同程度的 下沉现象 沿倾向方向上的上下部煤壁都出现了不 同程度的下沉现象，且下部的下沉量大于上部的 。 而在中大槽工作面采空区对应八尺槽煤层的位置的 顶底板沿倾向方向的垂直向上位移由工作面倾向下 沿煤层走向方向，在中大 部向上部出现上鼓现象 槽煤层工作面对应的中部区域的顶底板垂直位移量 大于两侧煤壁对应位置处，并且由两侧向中间递增 的趋势，呈对称分布规律 。 。 图 2 中大槽煤层顶板位移云图 2 从图 中可以看出，在工作面煤层采出后，中大 槽煤层的顶板位移图在倾向和走向上都呈现对称现 象，工作面四周煤壁的沉降量小，采空区中部出现垮 落现象 中可以看出，随着工作面的不断推进开 采，采空区中的底板出现上鼓的现象，沿倾向方向靠 3 。 从图 ·241· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 。 另外，从中大槽煤层开采前后顶底板应力分布 图可以看出，中大槽煤层开采后沿倾向方向两帮 3D 围岩处出现应力集中区，随着距煤柱的距离的增加， 应力呈现下降趋势，最终恢复到开采之前的状态，下 部煤柱的应力较上部煤柱的应力大 在工作面倾向 方向上，采空区处的底板的应力值远低于两帮围岩 中的应力，沿倾向方向应力最小值出现在工作面中 沿走向方向出现充分卸压状态，应力分 部偏上处 布规律基本呈现对称分布 。 。 。 20 m 此外，从开采前后八尺槽中部垂直应力分布图 可以看出，在上部中大槽煤层开采过后，下部的八尺 槽煤层中部出现了垂直应力的卸荷区域 沿倾向方 向，与中大槽工作面两侧煤壁对应的八尺槽煤层中 的位置，一定范围内 ( ) 出现垂直应力集中区 域; 在采空区下部对应的八尺槽煤层的位置，出现卸 荷区域，且倾向上部区域的垂直应力值小于下部的， 垂直应力最小值出现在工作面沿倾向方向的中部偏 沿煤层走向方向，工作面煤壁对应位置 上的区域 处出现应力集中区，采空区在八尺槽煤层对应位置 出现了卸荷的区域，垂直应力区域沿走向方向呈现 对称分布 这种分布又沿倾向方向呈现由倾向下部 向上部区域有规律的变化趋势，两侧煤壁处逐渐递 增的趋势，中部区域应力由倾向下部到上部先递减 再递增的抛物线分布趋势 这种分布说明中大槽采 空区对应的区域出现明显的卸荷区域 。 。 。 。 5 急倾斜厚煤层工作面底板瓦斯运移规律 对中大槽煤层底板煤岩层的受力特性进行分 析，绘制出中大槽煤层底板煤岩层的垂直应力示意 图( 图 ) 6 。 图 6 急倾斜厚煤层底板煤岩层应力分布示意图 6 + 735 从图 可以看出，在 工作面下方的底板 煤体中形成卸压区域，该区域中的卸压瓦斯会沿着 新生空隙裂隙运移至采空区，增加采空区中的瓦斯 浓度，从而影响工作面上隅角处的瓦斯浓度，因此， 对该区域的煤体进行瓦斯预抽和卸压瓦斯抽采是有 必要的 。 根据现场实测数据得出，接替工作面残余瓦斯 ，可 ，可判定该区域内瓦斯抽 ，残余瓦斯含量为 2． 873 m3 / t 0． 21 MPa 0． 563 m3 / t 压力为 解析瓦斯量为 采效果达标 。 6 结 论 1 。 ) 在工作面煤层采出后，中大槽煤层的顶板位 移图在倾向和走向上都呈现对称现象，工作面四周 煤壁的沉降量小，采空区中部出现垮落现象 工作 面顶板出现了垮落现象，随着工作面的不断推进开 采，采空区中的底板出现上鼓的现象，沿倾向方向靠 近采空区倾向下部的鼓起量大于上部的鼓起量，而 在采空区四周的煤壁出现下沉现象 沿煤层走向方 向，在中大槽煤层工作面对应的中部区域的顶底板 垂直位移量大于两侧煤壁对应位置处，并且由两侧 向中间递增的趋势，呈对称分布规律 。 2 ) 中大槽煤层开采后沿倾向方向两帮围岩处 出现应力集中区，随着距煤柱的距离的增加，应力呈 现下降趋势，最终恢复到开采之前的状态 下部的 。 八尺槽煤层中部出现了垂直应力的卸荷区域 沿煤 层走向方向，工作面煤壁对应位置处出现应力集中 区，采空区在八尺槽煤层对应位置出现了卸荷的区 域，垂直应力区域沿走向方向呈现对称分布 。 。 3 ) 在 + 735 工作面下方的底板煤体中形成卸压 区域，且有必要对该区域的煤体进行瓦斯预抽和卸 压瓦斯抽采 。 。 4 ) 根据现场实测数据得出，接替工作面残余瓦 ， 2． 873 m3 / t ，可判定该区域内瓦斯 ，残余瓦斯含量为 0． 21 MPa 0． 563 m3 / t 斯压力为 可解析瓦斯量为 抽采效果达标 。 参考文献: ［ ］ 付帅 ． 1 ］ ［ D ． ［ ］ 谢小平 2 ． 本煤层开采卸压作用相邻区段防突效果研究 焦作: 河南理工大学， 2014． 高瓦斯煤层群薄煤层上保护层开采卸压机理 ］ 及应用研究［ D ． 北京: 中国矿业大学( 北京) ， 2014． ］ 涂敏，袁亮，缪协兴 ，等 ［ 3 ． 保护层卸压开采煤层变形与 页) ( 下转第 148 ·341· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines ［ ］ 10 Okolo G N ， Everson Ｒ C ， Neomagus H W J P ， et al． phy 2004 37 523 － 535． ， ( ) : 4 ， ， ， ［ ］ 15 Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 ， et al． Assessing Comparing the porosity and surface areas of coal as Mares T E Ｒadlinski A P Moore T A measured by gas adsorption ， ［ ］ J SAXS techniques ， Koberstein J T ． Fuel ， Morra B Stein Ｒ S． The determination of diffuse － boundary thicknesses of polymers by small － ， mercury intrusion and ， ( ) : 2015 141 141 293． coal ［ ］ angle X － ray scattering J ) : 1 ， ， 1980 ， lography ， 13 ( Cohaut N Blanche C 34 － 45． ， ． Journal of Applied Crystal- the potential for CO2 adsorption in a subbituminous ， ， Huntly Coalfield New Zealand ［ ］ J ． ) : scattering techniques ( ， ， Geology 2009 77 ， using small angle International Journal of Coal 1 54 － 68． 小角 化学学报， ． X 射线散射中 ， ) : ( 58 9 2000 1147． Porod ］ 李志宏，赵军平，吴东，等 ］ 正偏离的校正［ J ． ， Ismail I M K ［ 16 ［ ］ 17 Dumas D et al． A small angle Pfeifer P． Fractal analysis and surface X － ray scattering study on the porosity of anthracites ［ ］ J 1391 － 1400． 2000 ， ， ) : 38 9 ( Bale H D Schmidt P W． Small － Angle X － Ｒay － Scat- tering investigation of submicroscopic porosity with frac- ． Carbon ， roughness of nonporous carbon fibers and carbon blacks ［ ］ J 1532 － 1538． ． Langmuir 1994 ， ， ) : 10 5 ( 作者简介: 王博文( 1991 － ) ，男，山西忻州人，在读硕士 ． Physical review letters 1984 ， ， 53 研究生，研究方向为岩石与区域构造。 ［ ］ J tal properties ( ) : 6 596 － 599． Beaucage G Kammler H K ， ， Pratsinis S E． Particle size ( 收稿日期: 2016 － 03 － 31; 责任编辑: 王福厚 ) ［ ］ 11 ［ ］ 12 ［ ］ 13 ［ ］ 14 distributions from small － angle scattering using global scattering functions ． Journal of applied crystallogra- ［ ］ J 檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 ( 上接第 FLAC3D平台的典型剖面网格模型建立研究 2016 煤炭科学技术， ［ ］ 邵蔚 8 江西建材， ］ 增透效应研究［ J ． ， 41 基于 页) 143 2013 40． ) : 1 ( ． 以宁芜盆地白象山铁矿床为例［ ］ J ． ) : － ( 20 223 － 226． ［ ］ 刘宝安 下保护层开采上覆煤岩变形与卸压瓦斯抽采 4 ． ］ 研究［ D ． 近距离煤层群上保护层开采卸压机理及瓦斯抽 淮南: 安徽理工大学， 2006． ［ ］ 吴刚 5 ． ］ 采技术研究［ D ． 徐州: 中国矿业大学， 2015． ［ ］ 韩升 6 ． ］ 大黄山矿综放面瓦斯抽采技术及评判研究［ D ． 太原: 太原理工大学， ［ ］ 孙婷婷 7 ． ］ 大黄山矿综放工作面瓦斯运移规律研究［ D ． 太原: 太原理工大学， 2015． 2015． 作者简介: 李根威( 1983 － ) ，山西吕梁人，讲师，从事矿 山压力与岩层控制、矿井灾害防治方面的教学和技术研究。 ( 收稿日期: 2016 － 09 － 17; 责任编辑: 王福厚) ·841· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net