保護(hù)層開采中的數(shù)值模擬研究

陸凱 尹彬

摘 要：針對(duì)義安礦2#煤層瓦斯含量高，煤層透氣性差的問題，結(jié)合礦井的實(shí)際條件，應(yīng)用模擬軟件建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，模擬對(duì)煤層上保護(hù)層進(jìn)行開采，并根據(jù)開采保護(hù)層前后應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況分析其卸壓效果。結(jié)果顯示，保護(hù)層開采后，被保護(hù)層產(chǎn)生明顯塑性變形，其內(nèi)部的瓦斯將由保護(hù)層向采空區(qū)運(yùn)移；開采保護(hù)層厚度越大，采動(dòng)影響范圍越大，卸壓作用越明顯。

關(guān)鍵詞：保護(hù)層開采 瓦斯突出 數(shù)值模擬 分析

中圖分類號(hào)：TD713.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（a）-0036-02

在防治煤與瓦斯突出的區(qū)域性防突措施中，開采保護(hù)層是最有效的一種方法，并在一些突出礦井得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。保護(hù)層開采能使突出危險(xiǎn)煤層的應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使被保護(hù)層卸壓，增大煤層的透氣性，從而有利于被保護(hù)層的瓦斯流動(dòng)、解吸，最終達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出的目的[3]。在研究保護(hù)層開采過(guò)程中，被保護(hù)層的變形特性對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中保護(hù)層開采方案的實(shí)施具有重要的意義。數(shù)值模擬作為一種力學(xué)分析工具，已被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受[4-5]，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)保護(hù)層開采進(jìn)行研究是一種新的嘗試。

1 Flac3D軟件介紹

Flac3D是由美國(guó)ITASCA咨詢公司開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，它以有限差分法為理論基礎(chǔ)，利用三維計(jì)算機(jī)程序模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)特征，特別適合用于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)以及模擬大變形[6-7]。FLAC3D內(nèi)置了11種材料本構(gòu)模型和5種計(jì)算模式，可以模擬多種結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于各種巖土工程領(lǐng)域。FLAC3D還有優(yōu)秀的后處理功能，可以繪制多種曲線和圖形，如等應(yīng)力線、等位移線等，可以為用戶分析模擬結(jié)果提供了極大的方便。

2 礦井概況

河南義馬煤業(yè)集團(tuán)義安礦位于洛陽(yáng)市新安縣境內(nèi)，為煤與瓦斯突出礦井。二#煤層為主要可采煤層，平均采厚5.0 m，為緩傾斜煤層，傾角為0°～5°，可認(rèn)為是水平煤層，平均埋藏深度是550 m。主要巖層及力學(xué)參數(shù)如表1所示。本煤層瓦斯含量高，煤層原始透氣性系數(shù)較低，在掘進(jìn)工作面時(shí)經(jīng)常發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，目前主要采用高位鉆孔的方法抽放被保護(hù)層瓦斯，但效果并不明顯，用開采保護(hù)層的方法進(jìn)行卸壓很有必要。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

義安礦二號(hào)煤層保護(hù)層開采模型中，高度按需要研究范圍內(nèi)的地層總高度計(jì)算，取65 m，寬度按照工作面長(zhǎng)度100 m模擬，長(zhǎng)度取200 m。整個(gè)模型共分8層，模型（長(zhǎng)×寬×高）為200 m×100 m×65 m，共劃分13000個(gè)單元，模型見圖1。由于研究對(duì)象為煤層和巖層，其本構(gòu)關(guān)系符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，所以本次數(shù)值模擬模型采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

Flac3D模型的初始條件為位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件。由于模型選取的只是煤礦開采范圍的一部分，所以對(duì)邊界條件的設(shè)定為X正負(fù)方向上約束為0，Y正負(fù)方向上約束為0，Z負(fù)方向上約束為0。模型處于重力場(chǎng)中，運(yùn)算時(shí)施加重力場(chǎng)作用Z負(fù)方向重力加速度為9.81。模型頂部設(shè)定均布載荷8.2 MPa。

3.2 數(shù)值分析

賦予各巖層合理的物理參數(shù)后，用solve命令設(shè)定模型的求解方法，用model null 模型控制對(duì)保護(hù)層的開采，設(shè)定開挖10m。Flac3D能很好地模擬各巖層應(yīng)力和應(yīng)變分布。

由圖2可知，煤層傾向最大應(yīng)力為14～

18 MPa，走向最大應(yīng)力為16～18 MPa。傾向方向應(yīng)力分布有明顯的突變，致使局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中，對(duì)安全回采帶來(lái)隱患。

對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行位移穩(wěn)定性分析，如圖3所示，為開挖后最大不平衡力與時(shí)間（步長(zhǎng)）的關(guān)系。

從圖中曲線中可以看出，巷道圍巖不平衡力在建模后有一個(gè)調(diào)整階段，然后逐漸趨于穩(wěn)定，在開采保護(hù)層后迅速有大幅的調(diào)整，之后又穩(wěn)定下來(lái)，說(shuō)明被保護(hù)煤層產(chǎn)生了明顯的卸壓現(xiàn)象。

上保護(hù)層開挖以后，上覆巖層產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)變形明顯大于底板，但是底板也會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，所不同的是，底板產(chǎn)生最大變形的區(qū)域明顯滯后于上保護(hù)層工作面一段距離。隨著保護(hù)層的繼續(xù)被開采，被開挖的保護(hù)層頂?shù)装鍍?nèi)將形成塑性變形區(qū)域。在上保護(hù)層的頂?shù)装逍纬傻乃苄宰冃螀^(qū)域會(huì)隨著開挖距離的增大而增大。被保護(hù)層內(nèi)也將受到明顯的塑性變形的影響，如果被保護(hù)層中高瓦斯或者有突出傾向的煤層，其內(nèi)部的瓦斯壓力將被釋放出來(lái)，瓦斯將從采動(dòng)產(chǎn)生的裂隙中不斷運(yùn)移到上保護(hù)層的采空區(qū)，從而達(dá)到對(duì)保護(hù)層的卸壓釋放效果。

不同地質(zhì)條件下，開采不同厚度、不同傾角以及不同力學(xué)特性上保護(hù)層，其各巖層內(nèi)應(yīng)力的演化并不形同。如圖4所示，a和b分別為開采保護(hù)層厚度為1.0 m和4.0 m時(shí)，開挖后其應(yīng)力演化情況。

圖4中，保護(hù)層厚度不同時(shí)，上保護(hù)層開采對(duì)保護(hù)層作用的影響具有很大不同。在開挖相同距離時(shí)，上保護(hù)層厚度越大，對(duì)保護(hù)層有效采動(dòng)影響的范圍越大，產(chǎn)生的采動(dòng)卸壓作用就越明顯，越有利于被保護(hù)層的瓦斯流動(dòng)和釋放。

4 結(jié)語(yǔ)

該文利用數(shù)值模擬對(duì)義安煤礦2#煤層上保護(hù)層開采進(jìn)行了模擬，得到結(jié)論如下：

（1）保護(hù)層開采后，被保護(hù)層產(chǎn)生了明顯的塑性變形，其內(nèi)部的瓦斯將由保護(hù)層向采空區(qū)運(yùn)移，達(dá)到卸壓的目的。

（2）開采保護(hù)層厚度越大，采動(dòng)影響范圍越大，卸壓作用越明顯。

（3）通過(guò)FLAC軟件所獲得的模擬結(jié)果是具有指導(dǎo)意義的，把模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，將有助于實(shí)現(xiàn)高瓦斯及突出礦井的安全高效生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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