煤矿保护层开采围岩移动规律研究

【摘 要】 采用数值计算软件FLAC3D 对煤矿保护层开采进行了数值模拟，总结了保护层开采后围岩移动的规律性，结果表明：开采范围内的上覆岩层主要表现为向下的垂直位移，同时合位移场的矢量方向有偏向倾斜方向趋势，靠近上方的支承压力区的采空区下位岩层位移场的主要特点向倾斜方向变化较大，在靠近下方支承压力的采空区下位岩层主要表现为水平方向，保护层开采后围岩最大位移量发生在保护层上方采空区中部附近，为防治煤与瓦斯突出，瓦斯抽放钻孔应布置在开采保护层的上方采空区中部附近。

【关键词】 保护层开采 围岩移动规律 FLAC3D 数值模拟 煤与瓦斯突出

1 引言

我过北方某煤矿，井田煤系地层为海陆交互相沉积，岩性组合以砂岩、泥岩互层夹煤14层，按沉积顺序自下而上分为两个含煤组，井田煤层平均倾角30°。上石炭系太原组厚85～100m，含煤七层，其中12#煤层为主要可采层；下二叠系山西组厚100～110m，含煤七层，其中7#煤层为主要可采层；除7#煤层和12#煤层，其余煤层为局部可采的薄煤层。红菱煤矿为高瓦斯突出矿井，自1972年建井期间发生第一次煤与瓦斯突后，至今共发生煤与瓦斯突出136次。该矿12#煤层是具有严重煤与瓦斯突出危险的煤层，该煤层到目前已发生突出124次，而主要可采层7#煤层也发生过突出危险，该煤层共突出10次，由上可见两个主要可采层都是高瓦斯突出煤层，而且随着开采深度的增加，两个主采煤层瓦斯涌出量和煤层瓦斯压力逐渐增大，煤与瓦斯突出越来越严重，直接影响矿井的安全生产和经济效益。因此，有效防治煤与瓦斯突出是保证安全生产的首要问题。根据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出细则》有关规定，选择距12#严重突出煤层最近的11#煤层作为12#煤层的上保护层，同时作为7#煤层的下保护层，三层煤的位置及特征如图1和表1所示，保护层11#煤层平均倾角30°，煤厚0～0.7m，局部发育，平均0.4m，开采时煤岩一起采，采高为1.5m，开采范围：上顺槽标高-595m，下顺槽标高-707m，北至开切眼，南至11#煤层边眼，走向长300m、倾斜长220m，各煤层特征如表1所示。为取得突出煤层瓦斯抽放的可靠科学依据与指导方案，我们针对该矿的地质与开采条件，并结合保护层开采围岩移动规律相关文献资料的研究[1-3]，进行了开采保护层围岩位移变化规律数值模拟研究。

2 数值模拟模型

数值模拟部分把红菱煤矿四区-710北石门11#煤层首采面及其围岩作为研究对象，建立三维力学模型。数值模型尺寸为走向900m，倾斜800m，埋深850m，模型底部固定，模型走向及倾向施加实测地应力，初始载荷为模型自重，各岩层的物理力学参数参见表2，计算中覆岩采用弹塑性本构模型，屈服准则采用摩尔库仑准则，网格划分单元110250个，节点117300个，数值模拟力学模型如图2所示。

考虑到边界效应的影响，模型的开采在三维模型内部进行，为了清楚显示位移场物理量的变化规律，分别在三维模型中取倾斜剖面和走向剖面进行分析。11#煤开采厚度1.5m情况下，分别取11#煤层倾斜剖面开挖20m和200m的模拟数据进行可视化，见图3；沿走向剖选取11#煤层开挖40m和300m的模拟数据进行可视化，见图4。

3 数值模拟结果分析

开采保护层后位移场的模拟结果如图3和图4所示，通过模拟结果分析，可以得出如下结论：

（1）开采范围内的上覆岩层主要表现为向下的垂直位移，同时合位移场的矢量方向有偏向倾斜方向趋势；（2）由于支承压力的作用，靠近上方的支承压力区的采空区下位岩层位移场的主要特点向倾斜方向变化较大，在靠近下方支承压力的采空区下位岩层主要表现为水平方向，有使采空区底板底鼓的趋势；（3）随着工作面的推进，开采保护层的上覆煤岩体和下方煤岩体的位移量逐渐增大，采动影响程度不断增加；（4）开采范围内，保护层的上覆煤岩体的位移量明显比保护层下方煤岩体的位移量大，倾斜剖面中最大合位移量约为0.35m，走向剖面中最大合位移量约为0.72m，而且最大位移量发生在保护层上方采空区中部附近；（5）为防治煤与瓦斯突出，瓦斯抽放钻孔应布置在开采保护层的上方采空区中部附近卸压区内。

4 结语

通过对保护层开采后围岩移动规律的数值模拟，得出沿走向和倾斜剖面不同开挖步的位移等值线图，对模拟结果分析，得出了保护层开采后围岩移动变化规律及特征，从而为沈阳红菱煤矿煤与瓦斯突出防治工作提供一定的理论依据。

参考文献：

[1]梁冰.煤和瓦斯突出固流耦合失稳理论[M].北京：地质出版社，2000.

[2]赵阳升.矿山岩石流体力学[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

[3]程伟.煤与瓦斯突出危险性与预测及防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

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