双层被保护层的上保护层开采岩层移动和卸压规律数值模拟

鲁 稳 ，马树俊，魏自富

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315000)

在防治煤与瓦斯突出的众多措施中，开采保护层是最有效、最经济的区域防突措施[1-2]。由于保护层开采的实用性和可靠性，《防治煤与瓦斯突出规定》中明确规定了区域防突措施应当优先采用保护层开采技术[3]。开采保护层后，相邻煤岩层及瓦斯赋存平衡条件发生了改变，相邻煤岩层卸压变形产生大量孔裂隙，被保护层瓦斯得到了释放，煤体强度得以增加，进而增强了抵抗煤与瓦斯突出的能力[4-6]，实现安全高效的生产。本文以平煤一矿戊组煤层的地质条件为例，采用COMSOL数值模拟软件，对开采上保护层后被保护层的应力分布和位移变形进行模拟，分析保护层开采的卸压规律，为被保护煤层瓦斯治理提供依据。

1 工程概况

平煤一矿兴建于1957年，于1959年简易投产，矿井设计生产能力150万t/a。于1974年和1987年进行两次改扩建后，矿井设计生产能力增加到400万t/a。主要开采丁组、戊组煤层，戊组煤层分为戊8、戊9、戊10、戊11煤层，其中戊11煤层独立分层，不可采。戊8、戊9、戊10煤层厚度分别为1.6～2.5 m、0.8～1.6 m、1.7～3.1 m，平均厚度分别为2 m、1.2 m、2.4 m。戊8、戊9煤层之间为灰及深灰色泥岩，厚度为6.7～10.0 m，平均8.0 m，岩体含植物化石碎片，岩石中部往往夹有中-细砂岩薄层；戊9、戊10煤层之间为深灰色泥岩，厚度为0.7～6.1 m，平均3.4 m，岩体呈块状，夹有砂质泥岩薄层，局部为砂岩或砂质泥岩，煤层倾角平均为7°。

戊8煤层为缓倾斜煤层，其最大保护垂距为50 m。戊8煤层与戊9煤层之间间距为6.7～10.0 m，平均8.0 m，戊8煤层与戊10煤层间距为8.2～17.7 m，平均12.6 m，符合《防治煤与瓦斯突出规定》规定的最小层间距，所以戊8作为戊9、戊10煤层的保护层是合理的、可行的。如果对戊8煤层进行回采，形成上保护层，下伏双层被保护层戊9、戊10煤层将会得到卸压，煤体发生膨胀变形而出现裂隙，并连通煤体中原有孔隙、裂隙，使煤层透气性系数增加，有利于释放戊9、戊10煤层中的瓦斯，提高戊9、戊10煤层回采区域生产的安全性、高效性。

2 数值模拟模型建立

模型采用COMSOL 5.2版本数值模拟软件进行构建，以平煤一矿戊组煤层的地质条件，上保护层戊8-32040工作面为原型，以此来建立上保护层开采卸压的数值模拟计算模型。戊8-32040工作面切眼长142.7 m，采高3 m，为了简化数值模拟计算模型，将各煤岩层层间位置视为单一布置，不考虑构造作用的影响，采高取3 m，数值模型尺寸为140 m×70 m(长×高)，见图1、图2。各煤岩层的物理力学参数见表1。对建立的模型的左右两边为辊支承水平约束，底部为固定约束，上部边界为自由约束，煤层顶板上部加载均布荷载为16 MPa。数值模拟采用的力学模型为Drucker-Prager模型(以下简称D-P)和Mohr-Coulomb模型模型(以下简称M-C)，相应的准则为D-P和M-C准则。

图1 走向数值模型

图2 倾向数值模型

表1 各煤岩层的物理力学参数

3 模拟结果与分析

根据模拟结果分析平煤一矿的上保护层戊8煤层在回采工作面推进过程中，对应双层被保护戊9、戊10煤层的应力变化、位移变形和膨胀变形规律，计算沿走向方向和倾向方向上的卸压角。

3.1 沿走向保护层开采数值模拟

模拟戊8-32040保护层工作面推进15 m、30 m、45 m及60 m时，沿走向方向周围煤岩层应力分布、被保护层膨胀变形和推进60 m时的采空区周围煤岩层应力等值线及方向分布、塑性应变总位移场，模拟结果见图3～图12。

图3 工作面推进15 m应力分布

图4 工作面推进30 m应力分布

图5 工作面推进45 m应力分布

图6 工作面推进60 m应力分布

图7 应力分布等值线及方向示意

图8 塑性应变总位移及位移场方向

图9 工作面推进15 m戊组煤层膨胀变形

图10 工作面推进30 m戊组煤层膨胀变形

图11 工作面推进45 m戊组煤层膨胀变形

图12 工作面推进60 m戊组煤层膨胀变形

从图3～图12可以得出，保护层开采过程中，应力集中区出现在保护层工作面切眼及采面区域。随着保护层的推进，应力集中区及应力均逐渐扩大，应力分布变化逐渐增大。被保护层卸压范围也逐渐增大，卸压区应力场及应变位移场基本呈对称分布。保护层开采后，被保护层变形呈“W”型，被保护层应力近似呈“M”型分布；在采空区两端应力集中明显，上端呈现斜向上的集中泡影，下端呈现斜向下的集中泡影，总体呈斜“8”型分布。

上保护层工作面向前推进过程中，被保护层戊9、戊10煤层顶底板都在发生变形，且戊9煤层的顶底板膨胀变形量要大于戊10煤层的顶底板变形量。但下伏双层被保护层出现不连续的卸压情况，分析可能是由于上下分层的互为影响而削弱各自的膨胀变形量，且受到不同煤层的物理性质的差异化影响，煤层顶底板膨胀变形量也会发生相应变化。由此可知，戊9煤层在一定程度上影响了戊10煤层的应力卸压效果。

工作面推进60 m后，被保护层戊10煤层在保护层开采后顶板法向变形量最大为81.3 mm，底板法向变形量最大为70.5 mm；被保护层戊9煤层在保护层开采后顶板法向变形量最大为100.2 mm，底板法向变形量最大为94.5 mm。从图12可以看出，在距开切眼9.35 m处，被保护层戊10煤层的顶板法向变形量为40.3 mm，底板法向变形量为33.1 mm，膨胀变形量为3‰。已知被保护层戊10煤层上距戊8煤层12.6 m，得保护层沿走向卸压角为δ=53.42°。在距开切眼5.9 m处，被保护层戊9煤层的顶板法向变形量为33.0 mm，底板法向变形量为29.4 mm，膨胀变形量为3‰。已知被保护层戊9煤层上距戊8煤层8 m，得保护层沿走向卸压角为δ=51.59°。

3.2 沿倾向保护层开采数值模拟

模拟戊8-32040保护层工作面推进60 m时，沿倾向方向采空区周围煤岩层应力等值线及方向分布、塑性应变总位移场和被保护层膨胀变形。模拟结果见图13、图14、图15。

图13 应力分布等值线及方向示意

图14 塑性应变总位移及位移场方向

通过对图15的计算分析，得出在距采空区上侧4.5 m处和在距采空区下侧4 m处，被保护层的膨胀变形量为3‰；已知戊8煤层与戊10煤层的层间距为12.6 m，经计算得保护层沿倾向向上侧和沿倾向下侧的卸压角分别为70.35°、72.39°。

图15 工作面推进60 m戊组煤层膨胀变形

4 结 语

1) 通过COMSOL5.2软件模拟并分析了上保护层开采后下伏双层被保护层应力场及塑性应变区分布情况，计算得到沿走向和倾向两个方向上的卸压角。其中戊9煤层沿走向上的卸压角为51.59°，戊10煤层沿走向上的卸压角为53.42°；保护层沿倾斜方向下侧的卸压角为72.39°，沿倾斜方向上侧的卸压角为70.35°。

2) 上保护层开采后，被保护层变形呈“W”型，被保护层应力近似呈“M”型分布；在采空区两端应力集中明显，上端呈现斜向上的集中泡影，下端呈现斜向下的集中泡影，总体呈斜“8”型分布。

3) 上保护层工作面向前推进过程中，被保护层戊9、戊10煤层顶底板都在发生变形，且戊9煤层的顶底板膨胀变形量要大于戊10煤层的顶底板变形量。但下伏双层被保护层出现不连续的卸压情况，分析可能是由于上下分层的互为影响而削弱各自的膨胀变形量，且受到不同煤层的物理性质的差异化影响，煤层顶底板膨胀变形量也会发生相应变化。由此可知，戊9煤层在一定程度上影响了戊10煤层的应力卸压效果。