急傾斜煤層下保護層開采的卸壓效應研究

陳 寶，張 坤，潘立文，黃旻鵬，饒貴仕，鄭小龍

（江西省應急管理科學研究院，江西 南昌 330030）

全世界進行過煤礦開采活動的國家幾乎都發生過煤與瓦斯突出事故[1-2]。根據科研和工程技術人員長期理論研究以及實踐，保護層開采是一種防治突出最有效、最經濟的區域防突措施[3-4]。

在研究保護層開采防突機理方面，采用“發生突出的瓦斯壓力最小值” 來判別劃分保護層開采保護范圍，不能準確地應用于生產實踐，具有一定的局限性，這是因為“發生突出的瓦斯壓力最小值”本身就只是來源于基于現場的統計規律[4-6]。

《煤礦安全規程》[7-8]第204、205條規定：“具備開采保護層條件的突出危險區，必須開采保護層”，“ 有效保護范圍的劃定及有關參數應當實際考察確定”；《防治煤與瓦斯突出細則》 第63條規定：“首次開采保護層時，可參照附錄E確定沿傾斜的保護范圍、沿走向（始采線、終采線）的保護范圍、保護層與被保護層之間的最大保護垂距、開采下保護層時不破壞上部被保護層的最小層間距等參數?！痹撘幎ńo出的保護卸壓范圍在緩傾斜、傾斜煤層開采時得到了很好的應用，劃定的保護卸壓范圍基本能和煤礦現場實測數據保持吻合。但在進行急傾斜保護層開采時，由于煤層產狀的特殊性，回采后煤巖體的地應力、上下頂底板巖層的采動裂隙等分布情況都與緩傾斜、傾斜煤層不一致。

江西省煤田地質構造一般較復雜，褶皺、斷裂均較發育，煤層傾角較大，以傾斜、急傾斜煤層居多。目前大都是對近水平保護層開采的保護范圍以及保護效果進行研究，研究成果為近水平煤層保護層開采起到了指導性的作用。但是對于急傾斜煤層，由于開采過程中上覆巖層的冒落移動、裂隙發育程度、被保護層的變形狀態以及卸壓程度都與近水平煤層保護層開采不同，近水平保護層開采的保護范圍以及保護效果的研究成果不能應用于急傾斜保護層開采，因此，對于急傾斜保護層開采的保護范圍和效果需要單獨研究。

1 研究內容和技術路線

1.1 研究內容

利用ANSYS軟件模擬不同傾角下急傾斜煤層下保護層開采后采動影響區域，研究急傾斜煤層保護層開采中在不同傾角和距保護層不同距離的情況下上覆巖層的應力變化情況和位移情況以及被保護煤層的應力變化情況和位移情況； 根據被保護層的應力變化規律，確定出急傾斜保護層開采后被保護層的被保護范圍以及被保護層的消突卸壓效果，為急傾斜條件下的保護層開采方法提供依據[9-10]。

1.2 技術路線

根據江西省樂平礦務局北部礦區和萍鄉礦務局青山、巨源礦區急傾斜煤層群的具體賦存條件，選取65°和45°煤層傾角下保護層，采用數值模擬的方法研究兩種傾角條件下保護層采動對煤層頂板和被保護煤層的影響，然后對這兩種不同傾角條件下的頂板變形情況以及被保護層的卸壓情況進行對比分析研究[11-18]。

2 不同傾角下保護層采動影響范圍數值模擬研究

2.1 工程概況

研究區域內煤系地層共有8層煤巖層（第1～8層）。主采煤層為4煤層（第2層）和6煤層（第7層），埋深為441 ～482 m，4 煤層厚2.51 m，6 煤層厚1.51 m，兩層煤之間的垂直間距為34.4 m。6（第7層）煤層為保護層，4（第2層）煤層為被保護層，其它為巖層，其中第3層厚6.7 m，第4層厚10.6 m，第5層厚13.5 m，第6層厚3.6 m。根據實際情況取平均傾角65°和45°進行數值模擬，除了傾角不同，煤巖層的賦存以及地質條件情況保持一致。各煤（巖）層的物理力學參數如表1所示。

表1 各煤（巖）層的物理力學參數

2.2 計算模型建立

在計算模型的尺寸確定時，要選取合適的幾何尺寸，尺寸太大網格數過多容易浪費計算資源，尺寸太小則難以消除邊界條件的影響，容易造成較大的計算誤差。

因此，綜合考慮以上各種因素，傾角65°和傾角45°急傾斜煤層建立的三維有限元模型長均為300 m，高均為100 m；傾角65°模型寬為100 m，共劃分為46 500個單元； 傾角45°模型寬為165 m，共劃分為48 000個單元。

由于傾角的不同，雖然45°傾角采空區的標高范圍與傾角為65°時一樣，但是采空區的斜長要大些，為56 m（傾角為65°時采空區的斜長為44 m）。

除上部邊界外所有邊界均設定為全約束邊界。上部邊界不受約束，為自由邊界，將上部邊界以上巖層的自重作為外載荷施加在模型的上部邊界上，因此在上部邊界施加大小為12 MPa的壓力。

將整個初始地應力作用和開采過程設置為若干個荷載步，在各個荷載步中實現初始地應力作用和開采推進步驟，分三步（保護層開采之前即step1、工作面推進55 m時即step2、工作面推進120 m時即step3）逐一求解。

在被保護煤層中沿走向布置3條測線，第一條測線距底部垂高30 m（測線1），第二條測線距底部垂高50 m （測線2），第三條測線距底部垂高70 m（測線3）。在模型中距模型右端不同距離取了3個剖面，第一個剖面距右端102 m（剖面1），第二個剖面距右端150 m（剖面2），第三個剖面距右端174 m（剖面3）。

2.3 分析結果

（1）從不同剖面位置的不同求解步上的水平位移云圖上可以看出： 在采空區的斜上方，傾角為45°各煤巖層的水平位移分布情況明顯與傾角為65°時不一樣，在保護層和被保護層之間的巖層，中間位移大，兩端逐漸減??；在采空區的下方，各煤巖層的水平位移分布情況與傾角為65°時相似，越靠近采空區底板底鼓越明顯；從時間上可以看出，隨著工作面的推進，受采動影響的區域范圍越來越大。不同剖面step3水平方向位移云圖如圖1、圖2所示。

圖1 傾角為65°時水平方向位移云圖

圖2 傾角為45°時水平方向位移云圖

（2）為了查看頂板應力隨時間的變化，在頂板上布置了一個測點25919，在工作面推進到該測點之前，該點處法向應力隨工作面的推進逐漸增大，在工作面推過該測點以后，該點處法向應力隨工作面的推進逐漸降低，但不同傾角下變化幅度相差較大，如圖3所示。

圖3 測點25919 的法向應力時程曲線

（3）為了查看不同傾角被保護層的應力在沿傾向上的具體情況，在距離右端130 m處設置一個剖面，得到該剖面處的法向應力分布曲線圖，如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，與采動之前相比，在沿傾向的25～95 m范圍內，煤層內的法向應力得到了不同程度的釋放；從圖4(b)中可以看出，與采動之前相比，在沿傾向的60～120 m范圍內，煤層內的應力得到了不同程度的釋放。被保護煤層和開采煤層之間的位置關系如圖5所示。圖5(a)中顯示傾角為65°時被保護煤層中的38～82 m范圍也在該范圍之內，并且在沿傾向60 m左右的位置應力釋放程度最大，在25～95 m范圍之外，煤層內的應力反而得到提高；圖5(b)中顯示傾角為45°時被保護煤層中的62～118 m范圍比較一致，并且在沿傾向95 m左右的位置應力釋放程度最大，在60～120 m范圍之外，煤層內的應力反而得到提高。

圖4 被保護煤層法向應力分布曲線

圖5 保護煤層和被保護煤層的空間位置

（4）沿被保護層的走向，在三條測線上不同傾角煤層內的應力分布情況如圖6所示。從圖6（a）中可以看出，傾角為65°時中測線上應力釋放程度最明顯，下測線上的應力釋放程度最小，在沿走向大約60～220 m的范圍內，煤層內的應力得到了不同程度的釋放，并且在140 m左右處的應力釋放程度最大。從圖6（b）中可以看出，傾角為45°時上測線上應力釋放程度最明顯，而下測線上的應力不僅沒有得到釋放，反而應力得到提高，在沿走向大約60～220 m的范圍內，中測線和上測線上煤層內的應力得到了不同程度的釋放，并且在140 m左右處的應力釋放程度最大。

圖6 被保護煤層沿Z 方向的法向應力分布曲線

3 對比分析

3.1 法向位移對比

傾角65°和45°模型中頂板的法向位移情況如圖7所示。從圖上可以看出傾角為45°模型中開采煤層頂板的法向位移比傾角為65°模型的大，而且頂板沿傾向發生變形的范圍也要大，這主要是因為傾角為45°模型中采煤工作面要長（45°模型中采煤工作面長56 m，65°模型中采煤工作面長44 m）。從圖上還可以看出這兩種模型中頂板的最大法向位移都是在采空區偏上邊界的位置，這與現場的測試結果也比較一致，在急傾斜煤層開采條件下，現場實測也表明，頂板位移沿工作面長度方向的分布通常是不均勻的，其一般規律是工作面上部和中部位移比工作面下部大。

圖7 法向位移對比

3.2 法向應力對比

傾角65°和45°模型中開采煤層頂板的法向應力分布情況如圖8所示，對比發現，傾角45°模型中沿傾向方向法向應力的變化比較平緩，而傾角65°模型中沿傾向方向法向應力的變化比較顯著。

圖8 模型第六層頂板法向應力（step3 剖面距右端130 m 位置）

3.3 卸壓程度對比

為了定量分析被保護煤層的卸壓程度，將被保護煤層卸壓前的壓力減去卸壓后的壓力，然后再除以卸壓前的壓力。如圖9所示，圖上顯示的是傾角65°和45°模型中被保護層的卸壓情況，兩種模型中被保護層沿傾向的卸壓范圍大小和卸壓程度都比較一致。

圖9 被保護煤層卸壓程度對比

4 結論

采用數值模擬的方法，對樂平礦務局北部礦區和萍鄉礦務局青山、巨源礦區急傾斜煤層群傾角為65°和45°的煤層下保護層開采的卸壓效應進行了研究，得出的結論如下：

1）保護層開采后，傾角為65°時沿傾向60 m左右的位置應力釋放程度最大； 傾角為45°時在沿傾向95 m左右的位置應力釋放程度最大，在應力釋放區的四周區域應力會有不同程度的提高。

2）受采煤工作面長度的影響，傾角為45°模型中開采煤層頂板的法向位移比傾角為65°模型的大，而且頂板沿傾向發生變形的范圍也要大。

3）傾角45°模型中沿傾向方向法向應力的變化比較平緩，而傾角65°模型中沿傾向方向法向應力的變化比較顯著。

4）傾角65°和45°模型中被保護層的卸壓范圍大小和卸壓程度都比較一致。