鲁明星

(唐山学院土木工程系，河北 唐山 063000)

良庄煤矿上保护层开采卸压机理与保护范围数值模拟研究

鲁明星

(唐山学院土木工程系，河北 唐山 063000)

以良庄煤矿3213、3214上保护层工作面为工程背景，研究分析了上保护煤层开采卸压机理，为确定上保护煤层开采后下部保护范围，运用FLAC3D数值模拟软件模拟了实际地质条件下保护层开采行为。研究表明：随上保护层开采范围的增加，底板一定范围内的煤岩层在采空区内部呈现卸压，卸压区内卸压效果明显，卸压范围逐渐增大，应力分布由“V”型分布逐渐变为“U”型分布，但边界处应力集中情况逐渐增大，应力峰值与范围增加。通过综合经验法和卸压准则判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面内错3214切眼位置19 m，停采线位置内错19 m，运煤巷内错17 m。

上保护层 卸压机理 保护范围 数值模拟

随着我国经济的不断增长，对煤炭资源的需求量日益增加，从而导致赋存条件简单以及埋深较浅的煤炭资源逐渐枯竭，现在我国一些矿井正在进入深部开采阶段。在深部开采时出现冲击地压，增加了煤炭开采的复杂性，冲击地压事故日益增加。冲击地压频发成为制约矿井安全高效生产的重要因素，冲击地压发生时会对经济造成巨大的损失以及造成工作人员的伤亡。因此，防治冲击地压已成为当前矿山的首要任务[1-3]，为此许多学者做了大量的研究与讨论，提出了许多有效的防治措施，其中保护层开采被认为是预防冲击地压发生最有效、最经济的措施[4-6]。保护层开采后，其下伏煤岩层发生破坏，产生裂隙，使被保护层释放大量的弹性能，降低发生冲击地压的可能性。我国对保护层开采研究集中于下保护层，在下保护层开采的卸压原理、应力场分布规律方面取得了大量的研究成果，通过下保护层的应力集中的有效防范，大大降低了冲击地压的发生。但在下保护层开采不能满足要求，必须采用上保护层开采时，人们对卸压机理的产生，卸压保护范围等方面研究的较少。因此研究上保护层开采的卸压原理、卸压保护范围以及上保护层应力场分布规律对保护层冲击地压的防治具有重要意义。

1 地质概况

良庄煤矿上保护层3213、3214工作面位于三采区西南地面标高+191.76 m，井下标高-472.7～-546.7 m，埋深664～738 m。煤层厚度0.6～2.2 m，均厚1.65 m，含一层稳定的炭质砂岩夹矸，厚约0.06 m；煤层倾角为7°～17°，平均13°。根据工作面实际揭露和钻孔资料，煤2以上局部发育煤2上分层，煤2至上分层间距变化较大，间距在3.0～8.0 m之间。被保护层3413和3414工作面，地面标高+191.76 m，井下标高-455.8～-564.2 m，埋深647～756 m。煤结构较复杂，煤层平均厚度1.80 m，煤层结构稳定，煤层呈块状，硬度较大；2层煤与4层煤相距30 m左右。煤层柱状图如图1所示。

图1 工作面煤层柱状图

2 上保护层开采卸压机理

保护层开采作用机理的核心是卸压作用，而卸压作用产生于分力结构拱的形成与结构拱内部煤岩层的运动与破坏。由于岩体本身是一种缺陷介质，它在构造成岩过程中，受构造作用影响产生变形，形成由结构面和结构体构成的既连续又不连续的裂隙体。受上保护层开采影响，岩体破坏，一定范围内岩体的结构改组、结构联结丧失，伴随这种破坏的发生使岩体本身的结构特征、物理力学性质得到一定程度上改变，为能量的释放、转移提供了前提与基础；保护层开采后围岩运动，由于岩体的碎胀性，直接顶垮落形成“松散破碎弱结构”层，基本顶形成“不等高裂隙结构”层，底板一定范围内产生底鼓，形成“底鼓裂隙”层，这些结构的形成极大削弱了应力集中与能量传递情况。故保护层开采机理可总结为开采上保护层—围岩移动与破坏—分力结构拱形成—被保护层应力降低—积聚弹性能降低—冲击危险性降低。

3 数值模拟软件与计算模型

3.1 数值模拟软件FLAC3D

FLAC3D是三维显式快速拉格朗日分析程序，采用有限差分原理模拟岩土材料的三维力学行为，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化、大变形等问题[5-6]。因此，FLAC3D适合于模拟煤层大范围开采过程中支承压力的三维分布特征。

3.2 模型尺寸及边界条件

以良庄煤矿3214工作面开采为背景，利用FLAC3D模拟3214开采后，煤层底板岩体应力分布规律及其影响范围，为了准确地模拟上保护煤层开采厚度对保护煤层保护效果的影响，建立尺寸为500 m×800 m×110 m的数值模型。在X方向设定正负2个方向上约束为0，Y方向正负2个方向约束为0，Z负方向上约束为0。上边界为自由边界，该模型上覆岩层产生的自重应力为14.5 MPa。计算模型采用摩尔-库伦准则计算，煤岩体力学参数见表1。

表1 数值模拟岩石力学参数

4 数值模拟分析

图2是3214推进至不同位置(50、100、150、200、250、300 m)时，倾向中部采场围岩走向垂直应力分布图，用于分析随着工作面的推进保护层应力场分布规律。

图2 随工作面开采应力场分布云图

由图2可知，上保护层工作面沿走向推进过程中顶底板煤岩层内出现卸压区，卸压区随工作面开采范围逐渐增大，部分区域垂直应力接近0；切眼后方及工作面煤壁前部出现应力集中，应力集中系数随工作面推进距离增加逐渐增大；随着采空区范围的扩大，在顶板岩层整体下沉移动的作用下，采空区冒落矸石逐渐被压实，采空区出现应力恢复情况。

为准确反映4煤顶板在2煤开采过程中的应力变化情况，运用FLAC中hist命令采集数据，经数据处理软件处理后得到保护层采动影响下被保护层顶板处应力变化曲线，如图3、图4所示。

图3 4煤顶板沿走向垂直应力随开采长度的变化

图4 4煤顶板倾向垂直应力变化

模型开挖50 m时，工作面前方与开切眼后方形成应力集中，应力增加到20.2 MPa，应力集中系数约为1.2，采空区下部出现应力降低区，卸压呈“V”型对称分布，中间位置应力最小为10.1 MPa，比原岩应力下降了10.1 MPa。模型开挖到100 m时工作面前方与开切眼后方应力集中情况增大，应力增加到23.4 MPa，应力集中系数约为1.4，卸压范围变大，最小垂直应力小于5 MPa。随着开采长度由150 m增加至300 m过程中，工作面前方与开切眼后方应力集中系数逐渐增大，同时采空区下部的卸压范围逐渐增加，卸压呈“U”型分布，卸压程度也逐渐增大并稳定，在模型开挖到150 m处，中间位置的最小应力降到0。当模型开挖到300 m处，应力降到10 MPa以下区域占到工作面开采长度的90%，应力降到5 MPa以下区域占到工作面开采长度的73%。

图4为3214工作面回采完毕后，运煤巷边界处应力在4煤顶板处的分布情况，由于3214轨道巷侧采空边界为两侧临空煤柱，受侧向支承压力影响，运煤巷煤壁侧产生应力集中现象，应力集中系数为约为2.0，垂直应力随距煤壁距离的增大逐渐降低，在采空区中部垂直应力达到最低状态。

5 保护层开采被保护层范围确定

5.1 沿倾向保护范围

2煤层的倾角平均13°，对照现场实际情况可确定保护层开釆后，沿倾斜方向的卸压角都为75°，由于实际生产过程中3413、3414共用1条轨道巷，因此可确定被保护层工作面运煤巷内错距离为30 m×cot75°=8.0 m，如图5所示。

5.2 沿走向保护范围

若良庄矿2煤层取卸压角平均值58°，2煤与4煤之间的法向距离取30 m，则可分别计算出开切眼及停采线向内错动的距离：开切眼向里内错30 m×cot58°=18.75 m，停采线向里内错30 m×cot58°=18.75 m；如图6所示。

图5 2煤倾向保护范围示意

图6 2煤走向保护范围示意

5.3 卸压判定法确定的保护范围

首先确定卸压判定准则下应力：

即垂直应力小于17.5 MPa时巷道布置位置合适，根据图3、图4中保护层开采完毕后应力分布曲线可确定，3414工作面内错3214切眼位置19 m，停采线位置内错19 m，运煤巷内错17 m时，应力符合判定准则。

综合经验法和卸压准则判定法最终取3414工作面内错3214切眼位置19 m，停采线位置内错19 m，运煤巷内错17 m，为3213、3214对3414的保护范围。

6 保护层卸压效果分析

未采用保护层开采，邻近工作面正常区域钻孔煤粉量记录数据如表2所示。

表2 未保护区域钻屑法监测记录

注：①钻孔施工区域尚未进行卸压，煤粉量平均2.45 kg/m，单米最大值为3.9 kg/m，均未超过临界值，但已接近临界值；②无冲击危险。

在完全保护作用下，取3414运煤巷侧钻孔数据记录钻孔煤粉量，如表3所示。

表3 完全保护区域钻屑法监测记录

注：①钻孔施工区域未采取卸压措施，煤粉量平均1.85 kg/m，单米最大值为2.8 kg/m，未超过危险煤粉量，无冲击危险，保护作用效果明显；②无冲击危险。

通过对比表2、表3可知，在上保护层完全保护作用下，不管是平均煤粉量，还是单米最大煤粉量都明显小于未采用保护层开采的情况，说明上保护层开采对冲击地压防治起到了明显的效果。

7 结 论

(1)分析了上保护层开采卸压机理，卸压机理为：开采上保护层—围岩移动与破坏—分力结构拱形成—被保护层应力降低—积聚弹性能降低—冲击危险性降低。

(2)采用FLAC3D模拟了上保护层开采应力场分布规律，随上保护层开采范围的增加，底板一定范围内的煤岩层在采空区内部呈现卸压，卸压区内卸压效果明显，卸压范围逐渐增大，应力分布由“V”型分布逐渐变为“U”型分布，但边界处应力集中情况逐渐增大，应力峰值与范围增加。

(3)通过综合经验法和卸压准则判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面内错3214切眼位置19 m，停采线位置内错19 m，运煤巷内错17 m；采用钻屑法检测对卸压效果进行了分析，得到完全保护作用下钻屑量危险性明显小于未采用保护层开采技术的区域，卸压后在煤柱影响区域通过钻屑法检测，钻屑量和完全保护作用下的钻屑相差不大，冲击危险性得到消除。

[1] 李树清，龙祖根，罗卫东，等.煤层群下保护层开采保护范围的数值模拟[J].中国安全科学学报， 2012，22(6)：34-36. Li Shuqing，Long Zugen，Luo Weidong,et al.Numerical simulation of protective layer mining the scope of protection under the seam group[J].China Safety Science Journal,2012，22(6)：34-36.

[2] 王志亮，杨仁树，张跃兵.保护层开采测评指标及应用研究[J].中国安全科学学报，2011，21(10)：59-63. Wang Zhiliang，Yang Renshu，Zhang Yuebing.Protective layer mining evaluation index and applied research[J].China Safety Science Journal,2011，21(10)：59-63.

[3] 钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调(绿色)开采及其技术体系[J].采矿与安全工程学报，2006，23(1)：1-5. Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin.Resources and environmental coordination (green) mining and technology system[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2006，23(1)：1-5.

[4] 周世宁， 鲜学福， 朱旺喜.煤矿瓦斯灾害防治理论战略研讨[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001：21-23. Zhou Shining，Xian Xuefu，Zhu Wangxi.Coal Mine Gas Disaster Prevention Strategy Seminar Theory[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2001：21-23.

[5] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社， 1992：92-97. Yu Qixiang.Mine Gas Prevention and Control[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，1992：92-97.

[6] 国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:煤炭工业出版社，2009：14-15. State Administration of Work Safety.Coal and Gas Outburst Prevention Regulations[M].Beijing：Coal Industry Press，2009：14-15.

[7] 付建华.煤矿瓦斯灾害防治理论研究与工程实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005：12-46. Fu Jianhua.Coal Mine Gas Disaster Prevention Theory and Engineering Practice[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2005：12-46.

(责任编辑 石海林)

Pressure Relief Mechanism at Upper Protective Layer Mining in Liangzhuang Coal Mine and Numerical Simulation of Protection Scope

Lu Mingxing

(DepartmentofCivilEngineering，TangshanCollege，Tangshan063000，China)

With 3213，3214 working face of protective layer in Liangzhuang Coal Mine as the engineering background，the pressure relief mechanism of upper protection layer is analyzed.In order to determine the protection scope of the lower coal seam after upper protective layer mined.FLAC3Dnumerical simulation software was used to simulate the protective layer mining under actual geological conditions.Research shows that：with the increase of mining scope of protective layer，a certain range of coal strata on the floor is showing as in pressure relief at internal goaf with obvious effect in pressure relief zone.The range of pressure relief zone increases gradually.The stress distribution shows as the “U” type gradually from “V” type.Stress concentration at the boundary is gradually increased，and its peak stress and range is also increased；Through the comprehensive experience method and the pressure relief criteria，a reasonable arrangement of 3414 working face was determined.The open-off cut located at 19 m from 3414 working face internal misaligned with 3214 working face，the mining line stopped at 19 m，and the coal lane is at 17 m in turn.

Upper protective layer，Pressure relief mechanism，Protection scope，Numerical simulation

2015-03-01

河北省科技厅项目(编号：10276723)。

鲁明星(1976—)，男，副教授，硕士研究生导师，博士研究生。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-007-05