基于FLAC3D的下保护层开采有效卸压范围研究.pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 FLAC3D 的下保护层开采有效卸压范围研究徐超，王海锋，刘清泉** （中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）摘要：以海孜煤矿为工程背景，运用 FLAC3D 有限差分软件，对远程下保护层开采上覆煤岩体的应力、应变进行研究，得出下保护层开采被保护层的应力分布特征、膨胀变形规律和有效卸压范围。结果表明，下保护层开采后，被保护层充分卸压，沿走向的有效卸压范围相对于保护层内错 18m，卸压角为 77.5°。通过现场验证，认为模拟结果是可靠的。关键词：安全工程；下保护层开采；应力分布；膨胀变形；有效卸压范围中图分类号：TD712 Research On Effective Pressure-Relief Range Using Lower Protective Seam Exploitation Method Based On FLAC3D Xu Chao, Wang Haifeng, Liu Qingquan (Faculty of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, JiangSu XuZhou 221116) Abstract: Basing on Haizi Coal Mine and using FLAC3D Software, the article studied the stress distribution of overlying coal rock body and the pressure relief and deformation rules of protected coal seam under the situation of far distance lower protective seam exploitation, obtaining the stress distribution characteristics, scope of pressure relief, and deformation rules etc. Results indicate that the stress of protected strata is entirely relaxed after exploitation of lower protective seam. The effective pressure-relief range on strike direction is inwards 18m relative to protective seam, and pressure-relief angle is 77.5°. Severally verified by field, we believe that simulation results are reliable. Keywords: Safety Engineering; Lower Protective Seam Exploitation; stress distribution; expansion deformation; effective pressure-relief range 0 引言国内外的瓦斯治理经验表明，在防治煤与瓦斯突出的各种措施中，保护层开采及卸压瓦斯抽采是最有效、最经济的措施[1-4]。海孜煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，主采煤层为 7、8、9、10 煤四个煤层，均为为突出煤层。10 煤层的平均厚度为 3m，赋存较稳定，突出危险性相对较小，可作为中组煤 7、8、9 煤层的下保护层。9 煤平均厚度为 2m，8 煤平均厚度为 1m，两煤层的瓦斯含量均高且煤层透气性差，突出危险性严重。10 煤层距 9 煤层平均为 81m，相对层间距为 27，属远程下保护层开采。本文以海孜煤矿为工程背景，基于 FLAC3D 有限差分软件，研究远程下保护层开采的有效卸压范围，研究结果对具有相似地质条件的矿井的瓦斯治理工作具有一定的指导意义。作者简介：徐超，（1988-），男，山东泰安人，中国矿业大学安全技术及工程专业硕士研究生，主要从事瓦斯防治方面的研究。通信联系人：王海锋，（1979-），男，中国矿业大学副教授、硕士生导师，煤矿瓦斯治理研究所副所长，主要从事煤矿瓦斯防治方面的研究. E-mail: xuchaocumt@126.com - 1 -

中国科技论文在线 1 数值计算模型 1.1 模型的建立 http://www.paper.edu.cn 海孜矿保护层开采数值计算模型是按照海孜矿的实际情况建立的 FLAC 三维模型。被保护层倾角为 15~20°，在模型中取倾角为 17°。模型范围为 10 煤层底板以下 5m 到 7 煤层顶板以上 68m，高度为 195m。因 8 煤层与 9 煤层之间仅隔一层平均厚度为 1m 的泥岩，在模型中可将两煤层合并为一层，认为 9 煤层平均厚度为 4m。整个模型共分 14 层，模型（长 ×宽×高）为 300m×100m×195m，共划分了 61200 个单元，62002 个节点。10 煤层开采范围取值（长×宽×高）为 200m×50m×3m。 1.2 物理力学参数的选取本文结合海孜矿地质资料，给出了主要煤岩层的物理力学参数，如表 1 所示。表 1 海孜矿主要煤岩层的物理力学参数 Tab.1 the mechanical parameters of the main coal and rock seam in Haizi Coal Mine 综合柱状岩组划分泥岩岩组粉砂岩岩组火成岩岩组中砂岩岩组细砂岩岩组煤层岩组泊松比单轴抗压强度(MPa) 0.28 10.42 18.75 0.24 132.99 0.17 76.64 0.19 0.18 64.78 18.00 0.2 内摩擦角(°) 33.79 35.07 45.74 39.03 38.05 10.00 弹性模量 (GPa) 0.62 1.77 28.14 11.17 6.18 0.18 内聚力 (MPa) 2.47 4.62 16.10 7.85 8.47 0.50 单轴抗拉强度(MPa) 2.37 8.48 10.47 4.89 5.51 0.20 编号 1 2 3 4 5 6 40 45 50 55 1.3 边界条件的确定在边界处理上，计算模型的下部边界及左右边界可视为位移约束为零的边界。由于计算区域的上边界只取到覆岩的部分高度，所以，在计算模型的上边界可根据上部岩层和表土层的厚度施加一定的应力作用。根据矿井地质资料，剖面上边界埋深 550m，土层厚度约为 250m，岩层厚度约为 300m，土层和岩层的重量密度分别取为 0.02MN/m3、0.025MN/m3，计算得剖面上边界所加荷载为 12.5MPa。 2 模拟结果分析在模型中，下保护层分别推进 50m、100m、150m、200m，可得沿走向（距机巷 50m 60 处做剖面）和的应力等值线图和位移等值线图。 2.1 上覆煤岩体沿走向的应力分布下保护层分别推进 50m、100m、150m、200m 时，上覆煤岩体沿走向的应力分布如图 1 所示。 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 150 100 Z ( m ) 50 0 0 200 150 50 100 150 Y(m) 200 250 300 100 Z ( m ) 0 50 100 150 Y(m) 200 250 300 0 50 100 150 Y(m) 200 250 300 50 0 200 150 100 Z ( m ) 50 0 200 150 100 Z ( m ) 50 0 0 50 100 150 Y(m) 200 250 300 SZZ(Pa) -2E+06 -4E+06 -6E+06 -8E+06 -1E+07 -1.2E+07 -1.4E+07 -1.6E+07 -1.8E+07 -2E+07 -2.2E+07 -2.4E+07 -2.6E+07 -2.8E+07 SZZ(Pa) -2E+06 -4E+06 -6E+06 -8E+06 -1E+07 -1.2E+07 -1.4E+07 -1.6E+07 -1.8E+07 -2E+07 -2.2E+07 -2.4E+07 -2.6E+07 -2.8E+07 -3E+07 SZZ(Pa) -2E+06 -4E+06 -6E+06 -8E+06 -1E+07 -1.2E+07 -1.4E+07 -1.6E+07 -1.8E+07 -2E+07 -2.2E+07 -2.4E+07 -2.6E+07 -2.8E+07 -3E+07 -3.2E+07 SZZ(Pa) -2E+06 -4E+06 -6E+06 -8E+06 -1E+07 -1.2E+07 -1.4E+07 -1.6E+07 -1.8E+07 -2E+07 -2.2E+07 -2.4E+07 -2.6E+07 -2.8E+07 -3E+07 -3.2E+07 -3.4E+07 图 1 上覆煤岩体沿走向的应力分布云图 Fig.1 the stress contours of overlying coal and rock along the direction 为了更好地研究下保护层推进不同距离时被保护层走向的应力分布规律，沿 9 煤层底板共均匀布置 51 个应力记录点，利用 hist 命令跟踪记录 9 煤层底板走向记录点的最大主应力 - 3 - 65 70

中国科技论文在线数值，结果如图 2 所示。 http://www.paper.edu.cn 工作面推进50m 工作面推进100m 工作面推进150m 工作面推进200m a P M / 力应主大最 15.5 15 14.5 14 13.5 13 12.5 12 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 距切眼距离/m Fig.2 the maximum principal stress distribution of 9 coal seam floor along the direction 图 2 9 煤层底板沿走向的最大主应力分布特征由图 1 和图 2 可以得到： 1）保护层推进 50m 时，采空区正上方的应力相对较小，在 13.6~14.4MPa 之间；切眼处及工作面前方的应力较大，达 14.9MPa，相对于原岩应力 15MPa 变化不大。这说明 9 煤受采动影响的程度较小，卸压范围还未完全发展到 9 煤层的高度，卸压效果不明显。 2）保护层推进 100m 时，在距切眼 30~70m 范围内，应力在 12.6~13.1MPa 之间，应力降低区以 75°左右向上发展。这表明在采空区上方形成了一定区域的应力降低区，其发展趋势基本对称，有效卸压范围保持在相对于保护层内错 20m 之内，卸压角在 75°左右，此时卸压效果已比较明显。同时在 10 煤层切眼上方及工作面上方对应的 9 煤层也形成了一定的应力集中现象。 3）随着保护层开采范围的不断增大，卸压范围也在不断增大。当保护层推进 150m 或 200m 时，距切眼距离 100m 处的应力值仅为 12.2MPa，表明采空区上方的煤岩体应力急剧下降，卸压效果非常明显。同时，由于后方采空区趋于重新压实的原因，在切眼前方小范围内应力有所恢复，但仍维持较大的卸压程度。 2.2 上覆煤岩体走向变形分析及有效卸压范围确定下保护层分别推进 50m、100m、150m、200m 时，上覆煤岩体沿走向的膨胀变形如图 3 所示。利用 hist 命令跟踪记录当下保护层推进 100m 时 9 煤层顶底板走向记录点的位移数值，可得被保护层沿走向的膨胀变形率，结果如图 4 所示。 150 100 Z ( m ) 50 0 0 ZDISP(m) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 50 100 150 Y(m) 200 250 300 - 4 - 75 80 85 90 95

中国科技论文在线 200 150 100 Z ( m ) 50 0 200 150 100 Z ( m ) 50 0 200 150 100 Z ( m ) 50 0 0 50 100 150 Y(m) 200 250 300 0 50 100 150 Y(m) 200 250 300 0 50 100 150 Y(m) 200 250 300 http://www.paper.edu.cn ZDISP(m) 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 ZDISP(m) 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 ZDISP(m) 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 图 3 上覆煤岩体沿走向的膨胀变形云图 Fig.3 the deformation contours of overlying coal and rock along the direction 由图 3 和图 4 可分析认为，保护层推进 50m 时，被保护层膨胀变形量相对较小。保护层推进 100m 时，被保护层膨胀变形量逐渐增大，最大膨胀变形值为 30.4mm，膨胀变形率为 7.6‰。当保护层继续推进时，由于后方采空区趋于压实，处于采空区中部被保护煤层的膨胀变形趋于稳定，膨胀变形量维持在 24~32mm 之间，膨胀变形率为 6~8‰。《防突规定》第四十条规定，如果被保护煤层最大膨胀变形量大于煤层厚度的 3‰，则说明开采保护层对被保护层起到了卸压保护效果[5]。因此，本文以煤层法向膨胀变形率 3‰ 为标准进行有效卸压范围的确定。从图 5 可知，在距切眼 18m 左右处，被保护层膨胀变形 - 5 - 100 105

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 率达 3‰，即被保护层沿走向的有效卸压范围相对于保护层内错 18m。卸压角φ也可通过公式 tan = ，得 77.5φ= 4.5 o 。 φ= 81/18 110 ‰ / 率形变胀膨层护保被 8 6 4 2 0 -2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 距切眼距离/m Fig.4 the deformation rate of the protected layer along the direction when the protective layer was mined 100m 图 4 下保护层推进 100m 时被保护层沿走向的膨胀变形率 115 3 有效卸压范围验证为验证数值模拟的有效卸压范围的可靠性，在海孜矿现场采用深部基点法测定被保护层随工作面推进的变形量。方法是在 9 煤层底板瓦斯抽采巷中向 9 煤层打向上穿层钻孔，并在钻孔安设测点，进而通过观测测点的相对位移来确定煤层变形[6]，结果如图 5 所示。 ‰ / 率形变胀膨层护保被 10 8 6 4 2 0 -2 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 保护层工作面与测量孔的相对距离/m 120 125 130 Fig.5 the result of deformation rate of the protected layer measured by deep point method 图 5 深部基点法测定被保护层膨胀变形率结果从图 5 中可以看出，当保护层未采过测量孔位置时，被保护层一直处于压缩状态，其最大压缩变形率为 1.4‰；当保护层采过测量孔时，被保护层开始膨胀变形，且膨胀变形率随保护层的推进而逐渐增大；当保护层采过测量孔约 20m 时，被保护层膨胀变形率达到 3.18 ‰，并且随保护层的推进继续增大，最终稳定在 8.1‰左右，也就是进入了稳定卸压期。这与数值模拟的结果基本吻合，验证了数值模拟的可靠性。 4 结论本文以淮北海孜矿为工程背景，运用 FLAC3D 软件建立数值计算模型，模拟开采 10 煤层（下保护层）后 9 煤层（被保护层）沿走向的有效卸压范围。保护层推进距离小时，应力降低程度低，卸压效果不明显；保护层推进至 200m 时，被保护层达到充分卸压，沿走向的有效卸压范围相对于保护层内错 18m，卸压角为 77.5°。通过采用深部基点法进行现场验证，认为数值模拟结果是可靠的。 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 135 [参考文献] (References) [1] 俞启香. 矿井瓦斯防治[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,1992. [2] 周世宁,鲜学福,朱旺喜. 煤矿瓦斯灾害防治理论战略研究[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2001. [3] 程远平 , 周德永 , 俞启香等 . 保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究 [J]. 采矿与安全工程学报,2006,23(1):12~18. [4] 石必明 , 俞启香 , 周世宁 . 保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟 [J]. 中国矿业大学学报,2004,33(3):259~263. [5] 涂敏 , 缪协兴, 黄乃斌 . 远程下保护层开采被保护煤层变形规律研究 [J]. 采矿与安全工程学报,2006,23(3):253~257. [6] 武杰,桑树勋,方良才等. 淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署[J]. 煤田地质与勘探,2010,38(3):10~14. 140 145 - 7 -

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