申志勇 蘇靜 蔣興義 李久錇 歐一昌 王曉雙

摘要：為了模擬遠距離煤層下保護層開采過程中頂?shù)装迕簬r層破裂移動規(guī)律，以及隨著下保護層工作面推進，上保護層煤層產(chǎn)生的變形和應力分布特征，從而分析遠距離下保護煤層開采時上覆煤巖層的卸壓效果。采用UDEC軟件構建了走向模型，通過數(shù)值模擬分析得出：1）隨著工作面的不斷推進，裂隙的范圍不斷增大，以大致相似的裂隙分布形狀周期性向前發(fā)育;2）在保護層開采過程中，煤巖層的應力是動態(tài)變化的，隨著工作面的不斷推進;3）在工作面前方和切眼外側附近煤巖層出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，垂直應力達到20MPa，應力影響范圍約為20m左右;同時在工作面后方采空區(qū)側和切眼內(nèi)側約10m～20m范圍應力降低，為卸壓區(qū)，而采空區(qū)中間區(qū)域圍巖應力趨于恢復穩(wěn)定。

關鍵詞：遠距離;保護層;卸壓開采;數(shù)值模擬

0引言

下保護層開采是解決低透氣性高瓦斯煤層群安全高效開采的有效途徑，貴州省大部分礦井是典型礦區(qū)低透氣性、高瓦斯、近距離煤層群、煤與瓦斯突出概率高。然而上覆巖層中的薄煤層群開采受工作面斷層地質(zhì)構造復雜的限制，主要問題集中為：1）薄煤層開采成本高，經(jīng)濟效益低;2）開采環(huán)境惡劣，不宜綜合開采，安全隱患大。尤其在開采下保護層厚煤層后，上覆煤巖裂隙卸壓、失穩(wěn)、起裂、張裂、裂隙萎縮、變小、吻合、封閉的動態(tài)演化更加明顯。

文章研究的關鍵是運用數(shù)值模擬方法對遠距離下保護層開采的采場應力場特征及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上覆巖層活動機理、遠距離下保護層卸壓開采的卸壓范圍以及卸壓保護效果進行研究分析，進而為遠距離上被保護煤層卸壓增透、煤層瓦斯抽采設計提供理論依據(jù)。

1工程概況

某典型礦區(qū)礦井S1303工作面為13號煤層的綜采工作面，位于南采區(qū)S+1317新回風石門以南，工作面上限標高+1391m，下限標高+1312m，南以切眼為界，北以預計停采線為界。S1303工作面上覆S1101、S1101中工作面采空區(qū)，工作面距采空區(qū)法向距離4m，上區(qū)段為S1301、S1301中工作面采空區(qū)，工作面地面對應位置為段家?guī)r往東350～1200m，地面為表土不厚的順向坡堆積物。工作面距地表垂深560～645m。S1303工作面位于南采區(qū)S+1317新回風石門以南，工作面上限標高+1391m，下限標高+1312m，南以切眼為界，北以預計停采線為界。S1303工作面布置示意圖如圖1所示。

2 遠距離上保護層開采的數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

以1303工作面沿走向剖面為現(xiàn)場模型，構建大河邊煤礦13號煤層下保護層1303傾斜長壁工作面數(shù)值計算模型，如圖4-2所示。構建工作面走向模型的尺寸為400×92.3m（長×高），模型模擬13號煤層平均厚度為2.3m，采高為2.3m，埋深平均600m，上方3號煤層厚度為0.8m，間距為57.8m。模型為應力應變數(shù)值計算模型，采用位移邊界約束，模型下部邊界沿 、左右邊界沿 的位移速度為0，模型上邊界為自由邊界，施加上覆巖層的自重載荷為15.3MPa。

2.2 下保護層卸壓開采采動裂隙演化規(guī)律

為模擬13號煤層回采時采動裂隙的演化規(guī)律，從模型左邊距邊界75m處開切眼向右進行開挖推進，模擬從開挖75m開始，分別模擬推進30m、60m、90m、120m、150m五個回采段。采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬了工作面推進不同距離時的沿煤層走向剖面圍巖、頂?shù)装辶严都按怪睉Ψ植记闆r，數(shù)值模擬結果如圖3所示。

通過數(shù)值模擬結果分析可知：開切眼形成以后，上覆巖層懸露，引起直接頂膨脹變形，隨著工作面向前推進，上覆巖層和頂板巖層向采空區(qū)發(fā)生膨脹變形。當工作面開挖30 m左右時，如圖4（a）所示，采空區(qū)上覆巖層和底板巖層裂隙開始發(fā)育擴展。隨著工作面的不斷推進，圍巖應力不斷發(fā)生變化， 3號煤層受到采動影響，采空區(qū)上方煤巖層出現(xiàn)卸壓區(qū)，垂直應力在5～15MPa之間，但卸壓范圍小，卸壓程度比較低。工作面推進到60m時，如圖4（b）所示，基本頂發(fā)生周期性來壓，工作面覆巖發(fā)生劇烈來壓現(xiàn)象，頂?shù)装辶严栋l(fā)育充分，不斷向頂?shù)装迕簬r層深部發(fā)育擴展，淺部煤巖層主要產(chǎn)生穿層、離層裂隙，裂隙交叉貫通，并與采空區(qū)中的裂隙溝通，深部主要產(chǎn)生離層張裂隙，離層和穿層裂隙構成卸壓瓦斯運移的通道。由圖中圍巖應力分布可知，工作面前方和切眼外側附近煤巖層出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，垂直應力達到20MPa，應力影響范圍約為15m左右;同時在工作面后方采空區(qū)側和切眼內(nèi)側約10m～20m范圍應力降低，為卸壓區(qū)，而采空區(qū)中間區(qū)域圍巖應力趨于恢復穩(wěn)定。

隨著工作面的繼續(xù)推進，如圖4（c）、圖4（d），圖4（e）所示，直接頂不斷冒落，基本頂周期性來壓，受采動的影響，上覆巖層和底板巖層在垂直應力和水平應力的共同作用下，不斷的發(fā)生變形破壞運動，穿層、離層裂隙不斷的發(fā)展，并隨著工作面的推進不斷向前和頂?shù)装迳畈堪l(fā)育擴展，離層裂隙主要分布在采空區(qū)基本頂上方5m以上，穿層裂隙分布在基本頂上方和采空區(qū)底板下方5m范圍以內(nèi)。隨著頂板巖層的不斷垮落，采空區(qū)冒落巖石逐漸被壓實，工作面后方一定距離的底板應力逐漸恢復穩(wěn)定狀態(tài)，煤層底板始終處于采前壓縮、采后膨脹和恢復穩(wěn)定狀態(tài)的過程。由圖中圍巖應力分布可知，3號煤層垂直應力值約為10Mpa，約為原巖應力值的2/3，卸壓程度進一步的增大，同時3號煤層的卸壓范圍也進一步擴大;工作面推進到150m時，采空區(qū)不斷被直接頂垮落巖石充填，采空區(qū)中部垮落巖石重新趨于壓實，使得采空區(qū)中部圍巖的垂直應力已基本恢復至原巖應力，但在采空區(qū)兩側仍各保持一個卸壓區(qū)，因而在采空區(qū)四周形成一個垂直應力降低區(qū)，它與采動裂隙“O”形圈是對應的。

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作者簡介：

申志勇（1998.09-），男，仡佬族，貴州省務川縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學習和研究。

貴州省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：S202110977113）