被保护层卸压增透效果技术研究

摘要：为了研究上保护层工作面开采后的采动影响情况，根据新集一矿首采工作面360804工作面地应力和岩体力学的相关参数，采用 FLAC3D软件建立数值计算模型，进行360804工作面的开挖模拟计算，分析了6-1煤的应力、透气性系数、变形的演化规律；并分析了360804工作面采动应力分布、工作面卸压角及对下伏6-1煤层的采动影响规律。研究结果可以为现场考察提供针对性的指导作用。

关键词：保护层；数值模拟；透气性系数；变形；采动应力分布；卸压角

0 前言

随着我国浅部煤炭资源开采的逐渐枯竭[1]，矿井开采以20～50m/a的速度向深部延伸[2,3]。由于深部煤层瓦斯压力和地应力的增大[4,5]， 煤与瓦斯突出风险随之增高[6]。保护层开采是目前突出煤层防治成本最低、卸压效果最好的技术措施。朱栋等[7]通过数值模拟获得上保护层开采时围岩应力演化规律；胡国忠等[8]通过对急倾斜俯伪斜上保护层保护范围的三维数值模拟研究获得了走向与倾斜方向的卸压范围；梁海汀等[9]揭示了关键层在不同位置下被保护层的卸压效果、位移以及膨胀率的变化。研究成果对于煤矿保护层开采的实践应用具有一定的指导作用。

本文首采面360804工作面复杂采场情况，采用 FLAC3D软件建立数值计算模型，进行360804工作面的开挖模拟计算，分析了6-1煤的应力、透气性系数、变形的演化规律；并分析了360804工作面采动应力分布、工作面卸压角及对下伏6-1煤层的采动影响规律。研究结果可以为现场考察提供针对性的指导作用。

1 工程概况

首采工作面360804工作面位于3608(6)采区，工作面东临-550m西翼集中下山、-550m西轨道大巷保护煤柱线，南临240805工作面采空区，东邻四采区8煤集中下山，西临3608（6）采区集中上山、3608（6）采区回风上山保护煤柱线，北临360802设计工作面、-550m西轨道大巷保护煤柱线；360804工作面设计切眼至设计停采线范围：风巷可采走向长1501.8m，机巷可采走向长1558.2m，工作面平均可采走向长1530m，工作面平均倾斜长180m，平均斜面276910.1m2；风巷预计底板标高-656.6～-690.9m，机巷预计底板标高-682.2～-710.2m。

采区内8煤层走向75～95°，倾向345～5°，倾角3～15°；煤厚较稳定，厚度2.0～4.6m，平均煤厚2.94m，8煤与上覆9煤间距20m、11-2煤层间距85m，与下伏7-2煤间距5m、7-1煤间距10m、6-1煤间距37m。

2 工作面开采扰动效应数值模拟

360804工作面的的采场条件较为复杂，南部存在240805采空区，上覆约90 m位置存在241107采空区，应力场极为复杂。采用数值模拟的方法对工作面的采动效应进行分析是一种快速便捷的方法，并可以为现场考察提供针对性的指导作用。

360804工作面采动数值模拟的流程：建立与现场条件接近采场几何模型，调研相关文献资料，收集地应力和岩体力学的相关参数，建立数值计算模型，设定采场初始条件，进行360804工作面的开挖模拟计算，分析6-1煤的应力、透气性系数、变形的演化规律。

2.1 数值计算模型建立

依据3608（6）采区综合柱状图、360804工作面布置及周围采动状况，采用FLAC3D建立600 m×400 m×260 m工作面开挖模型，倾斜角度为9⁰，如图1所示。底部和水平方向为固定边界，上部为自由边界。竖直方向施加16.8 MPa应力代替省略岩层，水平X方向施加22.4 MPa，Y方向施加28.4 MPa。241104采空区100 m ×450 m，240805采空区140 m ×450 m，360804工作面开挖范围180 m ×360 m。岩层采用摩尔库伦模型描述，煤层采用应变软化模型描述，采空区采用双屈服模型描述。

透气性系数受采动影响计算公式如下。

                  （1-1）

式中，和分别为第一有效应力不变量和初始第一有效应力不变量；分别为透气性系数和初始透气性系数；r为与应力相关的系数。煤层原始状态瓦斯透气性系数= 0.093 m2/MPa2·d。

煤体卸压系数r计算如式（1-2）。

                         （1-2）

式中，为初始应力，MPa；为当前应力，MPa。

图1  360804工作面开挖计算模型

采场初始应力状态如图2所示，初始应力平衡状态和240805和241107采空区形成条件下应力状态。

       （a）初始平衡                      （b）240805和241107采空区形成

图2  采场初始应力状态

2.2 数值模拟计算结果分析

模拟结果从360804工作面采动应力分布、工作面卸压角及6-1煤采动响应三方面描述。

（1）360804工作面采动应力分布

241107面开采对8煤底板应力造成影响较小，其下部区域应力减小约2 MPa。280805面开挖对其邻近面36804面影响显著，表现在邻近区域煤体应力由21 MPa升高至55 MPa，应力集中系数达到2.6。随360804工作面开挖范围扩大，工作面前方煤体经历应力升高-峰值状态-残余应力状态（卸压）的过程，采空区中部形成压实区域，竖直应力接近初始状态。

（2）360804采动卸压角

推进360m时，360804工作面面采空区围岩分布明显卸压区域和应力集中区域。采空区中部存在卸压区应力5~17.5MPa，采空区四周煤体为应力集中区域，应力范围22.5~50 MPa。沿倾向上下边界78⁰卸压角范围内，6-1煤层应力5~17.5 MPa，卸压系数0.17~0.76；沿走向靠近切眼和工作面位置卸压角分别为58⁰，6-1煤层应力5~17.5 MPa，卸压系数0.17 ~ 0.76。

（3）6-1煤的采动响应规律

6-1煤应力分布受到上覆采空区、邻近采空区影响，上覆采空区距离较远，对6-1煤体透气性系数几乎不产生影响，邻近采空区对6-1煤透气性系数影响剧烈。邻近采空区下伏6-1煤区域煤体透气性系数达到最大。

360804工作面对下伏6-1煤产生明采动影响，6-1煤体经历应力升高-峰值状态-降低-趋于初始状态恢复的过程。下伏6-1煤卸压，发生膨胀，有较大的位移，透气性系数也随之急剧增大；下伏6-1煤应力集中位置透气性处极低水平。工作面累积推进198 m时，采空区形成“见方”状态，下方煤体透气性系数急速增长；工作面的采动影响，下伏6-1煤经历透气性降低-急剧增长-逐渐降低的过程；推进360 m时，采空区中部地应力恢复，透气性系数减小，形成一个“O”型高透气性区域。

沿采空区走向范围6-1煤的应力、透气性和膨胀率分布曲线如图3。竖直应力范围18~26 MPa，透气性系数范围1.7~55.8 m2/MPa·d，膨胀变形范围0.08~2.5%。采空区中部应力恢复，略高于原岩应力状态21 MPa，但煤体仍处膨胀变形状态，透气性系数仍是大幅增长状态，增长倍率为18~600倍。

          (a)应力和透气性增加倍数                                                                              (b)透气性系数和膨胀率

图2  推进360m沿采空区走向范围6-1煤的应力、透气性和膨胀率

沿采空区倾向范围6-1煤的应力、透气性和膨胀率分布曲线如图4所示。竖直应力范围13~22 MPa，透气性系数范围0.00131~55.8 m2/MPa·d，膨胀变形范围-0.43~1.8%。采空区端头存在应力集中，高于原岩应力状态21 MPa，中部区域煤体仍处膨胀变形状态，透气性系数大幅增长状态，采空区倾向10~170 m范围增长倍率为50~600倍。

(a)应力和透气性增加倍数              (b)应力和透气性增加倍数

图4  推进360m沿采空区倾向范围6-1煤的应力、透气性和膨胀率

3 结论

首采面360804工作面应力场复杂，通过采用 FLAC3D软件建立数值计算模型，进行360804工作面的开挖模拟计算，分析了下伏6-1煤的应力、透气性系数、变形的演化规律；并分析了360804工作面采动应力分布、工作面卸压角及对下伏6-1煤层的采动影响规律。研究结果可以为现场考察提供针对性的指导作用。

参考文献

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[2] 罗文柯. 上覆巨厚火成岩下煤与瓦斯突出灾害危险性评估与防治对策[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2017: 1-9.

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[8] 胡国忠, 王宏图, 范晓刚, 等. 急倾斜俯伪斜上保护层保护范围的三维数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(s1): 2845-2852．

[9] 梁海汀, 涂敏, 付宝杰. 单一关键层位置对保护层开采效果的影响[J]. 煤矿安全, 2013, 44(2): 43-46．

作者简介：吴彬（1972.10.—），男，1995年7月中国矿业大学通风安全专业毕业，本科，从事一通三防技术管理工作，现在任新集公司一通三防部副部长。