“三軟”煤層上保護(hù)層開(kāi)采煤巖應(yīng)力應(yīng)變研究

王立 撒占友

摘 要：礦井瓦斯災(zāi)害會(huì)造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響煤礦企業(yè)的生產(chǎn)。為研究上保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中下伏煤層應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，降低高應(yīng)力應(yīng)區(qū)瓦斯突出事故的發(fā)生，本文利用COMSOL進(jìn)行不同煤巖距離的數(shù)值模擬。結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，保護(hù)層開(kāi)采可有效降低被保護(hù)層煤巖壓力。

關(guān)鍵詞：保護(hù)層;數(shù)值模擬;煤巖形變

1 概述

我國(guó)是一個(gè)是一個(gè)煤炭大國(guó)，2015年，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)比重中大約占70%，[1]2017年，煤炭能源在一次性能源消費(fèi)比重中仍大約占60%。[2]隨著煤炭資源的利用與開(kāi)采，我國(guó)許多礦井逐步進(jìn)入到高應(yīng)力開(kāi)采區(qū)域，一旦發(fā)生煤礦事故，特別是在“三軟”煤層，將會(huì)造成巨大損失。2005年到2014年，煤礦事故中，瓦斯事故仍是造成死亡人數(shù)最多的事故。[3]本文在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行“三軟”煤層上保護(hù)層開(kāi)采不同煤層間距煤巖應(yīng)力應(yīng)變的研究。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

在文獻(xiàn)[4]中已給出了相應(yīng)的假設(shè)，并建立了煤巖采動(dòng)下伏煤層應(yīng)力應(yīng)變變化的數(shù)學(xué)模型，本文將基于文獻(xiàn)[4]進(jìn)行研究。

2.2 物理模型構(gòu)建

（1）數(shù)值模型構(gòu)建。本文建立的模型為水平煤層，各層分布及屬性見(jiàn)圖1，本文將通過(guò)調(diào)節(jié)兩煤層間的巖層厚度（砂質(zhì)泥巖層）控制煤層間距，通過(guò)調(diào)節(jié)保護(hù)層上方巖層（砂質(zhì)泥巖層）厚度使被保護(hù)層所受總壓力保持不變，模型長(zhǎng)×寬=200×50m，保護(hù)層煤層厚度為3m，被保護(hù)層煤層厚度為4m。

在保護(hù)層上方有中砂巖層及砂質(zhì)泥巖層，兩煤層中間有砂質(zhì)泥巖層，被保護(hù)層下方有泥巖層及砂質(zhì)泥巖層。

（2）初始條件設(shè)定。本文設(shè)定模型底部為固定約束，左右兩側(cè)分別為輥支承，上部施加20Mpa的均布載荷。

（3）數(shù)值模擬。本文通過(guò)設(shè)定保護(hù)層開(kāi)采距離為40m，分別研究煤層間距為6m、9m及12m的被保護(hù)層應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，模擬結(jié)果如圖2所示。

3 模擬結(jié)果及分析

在保護(hù)層開(kāi)采40m范圍內(nèi)，當(dāng)煤層層間距為6m時(shí)，被保護(hù)煤層會(huì)形成的連續(xù)的形變區(qū)域，最大影響距離為87.5m，被保護(hù)煤層有明顯卸壓，最大卸壓壓力約為1MPa;當(dāng)煤層層間距為9m時(shí)，被保護(hù)煤層部分區(qū)域?yàn)榘l(fā)生形變，最大位移形變距離為78m，卸壓區(qū)域與層間距6m時(shí)相比有所縮小，最大卸壓壓力為09MPa;當(dāng)煤層層間距為12m時(shí)，被保護(hù)煤層連續(xù)變形區(qū)域明顯被破壞，最大位移累計(jì)為68m，最大卸壓壓力約為0.7MPa;當(dāng)煤層層間距為20m時(shí)，最大位移累計(jì)為52m，最大卸壓壓力約為02MPa。被保護(hù)煤層應(yīng)力應(yīng)變隨煤層間距的變化。

4 結(jié)論

（1）“三軟”上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)下伏煤層有一定程度的卸壓，卸壓影響隨著煤層間距的增大呈線性減小的趨勢(shì);

（2）保護(hù)層的開(kāi)采對(duì)下伏煤層的采動(dòng)影響呈倒“V”型分布的特點(diǎn)，隨著煤層間距的增大，現(xiàn)象越明顯;

（3）在一定的煤層間距范圍內(nèi)（本文為20m），保護(hù)層的開(kāi)采可有效釋放被保護(hù)煤層的煤與瓦斯的壓力，減少煤與瓦斯事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2015年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB].2016.

[2]中王彥軍，張超龍，肖樂(lè)樂(lè)，等.2001-2013年煤礦生產(chǎn)事故分類研究[J].煤礦安全，2015，46（3）：208-211.

[3]李偉.高瓦斯厚煤層覆巖裂隙演化與瓦斯運(yùn)移規(guī)律及應(yīng)用研究[D].西安科技大學(xué)，2015.

[4]李磊.“三軟”煤層上保護(hù)層開(kāi)采下伏煤巖瓦斯氣固耦合模型及應(yīng)用[D].青島理工大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介：王立（1994-），男，山西長(zhǎng)治人，碩士，研究方向：工礦災(zāi)害預(yù)防與控制、安全與應(yīng)急管理。

通訊作者：撒占友（1969-），男，內(nèi)蒙赤峰人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：工礦災(zāi)害預(yù)防與控制、安全與應(yīng)急管理。