上保护层开采下伏煤层卸压变形及应力分布_撒占友.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 随着煤炭的不断开采，越来越多的矿井进入深 部开采区域， 煤与瓦斯突出的危险性不断增大 [1-3]， 上保护层的开采，可有效释放被保护层煤的压力与 上保护层开采下伏煤层卸压变形及应力分布 撒占友 1,2， 王 立 1,2， 李 磊 1,3， 陆卫东4， 卢守青1,2， 杨 帅 1,2 （1.青岛理工大学 安全科学与工程系， 山东 青岛 266520； 2.山东省重点行业领域事故防范技术研究中心， 山东 青岛 266520； 3.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116； 4.新疆工程学院 安全科学与工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830023） 摘要 为掌握上保护层开采过程中下伏煤层卸压破坏变形及应力分布规律， 提高上保护层开 采预防下伏煤层煤与瓦斯突出的效果，以河南平顶山四矿己16-17煤层为对象，基于 Poyting- Thomson 模型构建煤岩体蠕变动力学模型，借助 Comsol Multiphysics5.2 软件对下伏煤层膨胀变 形及卸压分布规律进行仿真模拟和工程验证。结果表明 随着上保护层工作面的推进 （由 10 m 推进至 60 m） ， 下伏煤层左右两侧分别形成 98.5及 114卸压角， 横向塑性变形量增至最大约为 216 m； 下伏煤层呈塑性变形→形变恢复的变化特征， 说明上保护层的开采有助于下伏煤层瓦斯 卸压通道的形成， 有利于下伏煤层瓦斯的抽采。 关键词 保护层； 卸压角； 数值模拟； 应力分布； 塑性形变 中图分类号 TD322文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 07-0061-05 Decompression Deation and Stress Distribution of Underlying Coal Seam in Upper Protective Coal Seam Mining SA Zhanyou1,2, WANG Li1,2, LI Lei1,3, LU Weidong4, LU Shouqing1,2, YANG Shuai1,2 （1.Department of Safety Science and Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, China;2.Accident Prevention Technology Research Center of Key Industries in Shandong Province, Qingdao 266520, China;3.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;4.College of Safety Science and Engineering, Xinjiang Institute of Engineering, Urumchi 830023, China） Abstract To grasp the pressure and failure deation and stress distribution of the underlying coal seam during the mining process of the protective coal seam, and improve the effect of the upper protective coal seam mining to prevent the coal seam and gas outburst of the underlying coal seam, this paper takes the Ⅵ16-17coal seam of Pingdingshan No.4 mine in Henan Province as the object. Based on the Poyting-Thomson model, the creep dynamics model of coal and rock mass is constructed. The Comsol Mutiphysics 5.2 is used to simulate the deation and deation law of the underlying coal seam and the engineering verification. The results show that with the advancement of the upper protective layer working face（from 10 m to 60 m） , the left and right sides of the underlying coal seam a relief angle of 98.5 and 114 respectively, and the lateral plastic deation increases to a maximum of about 216 m; the coal seam is characterized by plastic deation to deation recovery, which indicates that the exploitation of the upper protective layer contributes to the ation of gas depressurization channels in the underlying coal seam, which is beneficial to the extraction of gas in the underlying coal seam. Key words protective layer; pressure relief angle; numerical simulation; stress distribution; plastic deation DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.012 撒占友， 王立， 李磊， 等.上保护层开采下伏煤层卸压变形及应力分布 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 61-65. SA Zhanyou, WANG Li, LI Lei, et al. Decompression Deation and Stress Distribution of Underlying Coal Seam in Upper Protective Coal Seam Mining ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 61-65. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51574153， 51804176） ； 山 东省自然科学基金资助项目 （ZR2014EEM043， ZR2018PEE001） ； 山 东省高等学校科技计划资助项目 （J18KA187） 移动扫码阅读 61 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 瓦斯压力[4-5]， 释放煤层的弹性潜能， 增大煤层的透 气性[6-7]， 目前， 国内外对保护层开采的研究主要集 中为瞬时状态下弹塑性变形规律的研究，特别是数 值模拟方面，分析研究了保护层开采过程中煤岩裂 隙演化[8-10]、 瓦斯渗流[9-13]、 煤岩卸压范围[14]等方面的 内容，并取得了诸多可喜的研究成果。但研究上保 护层开采过程中下伏煤岩层应力应变随时间变化 （流变状态） 的研究较少。在实际的保护层开采过程 中， 被保护煤层的应力应变是 1 个动态变化的过程， 为探究上保护层开采过程中被保护煤岩层的动态变 化规律，优化上保护层开采的技术参数，降低下伏 煤层煤与瓦斯突出的危险性，以平顶山四矿己16-17 煤层为例，建立上保护层开采煤岩体蠕变动力学模 型， 利用 COMSOL Multiphysics 进行数值模拟， 研究 上保护层开采过程中下伏煤岩体蠕变下的卸压规 律，为突出煤层上保护层开采卸压瓦斯抽采及参数 的选择提供理论依据。 1煤岩体蠕变动力学模型 煤体变形控制方程通过 Poyting-Tomoson 模型 （以下简称 P-T 模型） 描述[15]， 力学模型如图 1。 P-T 模型是 1 种蠕变力学模型，被广泛应用于 模拟软岩的蠕变行为，其建立需要满足以下 3 条基 本假设[1， 16-17] ①煤体为均质的弹性介质； ②整个系 统是等温的；③煤体侧向约束保持不变，即应变增 量△εxx△εyy0， 总覆岩压力保持不变， 即剪应力增 量△τz0； ④基质收缩、 膨胀同热力学收缩、 膨胀类 似， 吸附引起的膨胀、 收缩应变是各项同性的。 P-T 模型的本构方程可以描述为 EM η σσ EMEH η ε （EMEH） ε（1） 式中 σ 为应力， Pa；ε 为应变； EM为 M 体的弹 性模量， Pa； η 为 M 体的黏滞系数， Pa S； EH为 H 体 的弹性模量， Pa。 基于 P-T 模型， 结合 Danesh 等人[18]的研究以及 Langmuir 型方程， 可得 △εi σi EHi - EMiσi （EMiEHi） EHi exp （- EMiEHi （EMiEHi） ηi t） - z jx， j≠i ∑（μji（ σj EHi - EMjσij （ （EMjEHj） EHj - exp （- EMjEHj （EMjEHj） ηj t ） ） ） △ε s iαi△T （2） （i， j1， 2， 3 ） 式中 △εi为总应变， m； σi、 σj分别为 i、 j 方向 的应力， Pa； EHi、 EHj分别为 i、 j 方向的弹性杨氏模 量， Pa； EMi、 EMj分别为 i、 j 方向的黏弹性杨氏模量， Pa； ηi、 ηj分别为 i、 j 方向的黏滞系数， Pa s； t 为时 间， s； μ 为泊松比， 无量纲； △ε s i为体积应变， m； αi为 热系数， ℃-1； T 为温度， ℃。 2上保护层开采蠕变模型变形及应力分布数值模拟 2.1采煤工作面概况 河南平顶山四矿主采煤层己16-17煤层平均厚度 为 4.0 m， 经现场测定， 为突出煤层群， 与己15煤层 群平均间距为 10 m。 己15-23130 工作面煤厚度平均 为 1.5 m、 倾角 9.8， 回采深度 825 m， 可采走向为 1 080 m， 倾斜长 179 m， 经鉴定， 己15煤层煤与瓦斯突 出危险性较小， 可作为己16-17煤层群的开采保护层。 2.2几何模型和煤层物理力学参数及模拟示解域 结合平煤四矿的实际情况， 考虑到边界效应[3]， 模型的几何尺寸长、 宽为 200 m50 m， 从上到下各 层的物理力学参数见表 1。 数值模拟利用模拟软件 Comsol Mutiphysics 5.2 进行，用到的模块为 Solid Mechanics 模块。设置为 Fixed Constrant，左右边界设置为 Roller，顶部施加 岩性 弹性模 量/MPa 黏弹性模 量/GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 中砂岩 砂质泥岩 己15煤层 砂质泥岩 己16-17煤层 泥岩 砂质泥岩 10 000 4 000 1 800 2 000 1 800 2 000 4 000 - - 10 - 10 - - 0.20 0.23 0.25 0.23 0.25 0.22 0.23 3.00 0.80 0.10 0.50 0.10 0.13 0.50 厚度/m 密度 / （kg.m-3） 16.5 4.0 1.5 10.0 4.0 2.0 12.0 2 600 2 500 1 500 2 500 1 800 2 500 2 500 表 1煤层物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of coal seam 图 1P-T 体力学模型 Fig.1P-T physical mechanics model 62 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 Boundary Load，为-19.21 MPa。同时，施加 Body Load，为-solid.rho*g_const。保护层开采模型及力学 边界如图 2。 2.3模拟结果 通过模拟保护层的开采过程 （10、 40、 60 m） ， 得 到了保护层开采过程中下伏煤层随保护层开采的塑 性变形云图和垂向应力分布云图 （图 3～图 8） 。 从模拟结果来看， 在上保护煤层 （己15煤层） 开 采过程中，随着开采工作面的推进，下伏煤层塑性 应变及垂向应力发生了明显变化。 从塑性应变云图和垂向应力的分布规律的变化 可以明显地看到下伏煤岩体应力和损伤破坏的时空 演化规律。 从塑性变形来看， 当保护层开采工作面开采 10 m 时， 下伏煤层 （己16-17煤层） 无明显变形现象； 当保 护层工作面开采 40 m 时，保护层左右两侧约 30 m 煤柱产生了塑性形变，下伏煤层最大横向塑性形变 距离约为 131 m；当保护层开采工作面开采 60 m 时， 保护层下伏砂岩层塑性形变区域范围显著增大， 下伏煤层 （己16-17煤层） 在水平位置上出现范围极大 的塑性变形区域，最大横向塑性变形距离约为 216 m， 保护层下方塑性变形区域大体上呈倒 “V” 型分布 图 7保护层开采 40 m 应力云图 Fig.7Stress cloud map of 40 m of protection layer mining 图 8保护层开采 60 m 应力云图 Fig.8Stress cloud map of 60 m of protective layer mining 图 3保护层开采 10 m 塑性变形云图 Fig.3Plastic strain cloud map of 10 m of protection layer mining 图 2保护层开采模型图 Fig.2Mining model of protective layer 图 4保护层开采 40 m 塑性变形云图 Fig.4Plastic strain cloud map of 40 m of protective layer mining 图 5保护层开采 60 m 塑性应变云图 Fig.5Plastic strain cloud map of 60 m of protection layer mining 图 6保护层开采 10 m 应力云图 Fig.6Stress cloud map of 10 m of protective layer mining 63 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 的特点。 从垂向应力云图来看，当保护层开采至 10 m 时，保护层上下砂质泥岩层有小范围卸压现象出 现， 但采动影响较小， 下伏煤层 （己16-17煤层） 无卸压 现象； 当保护层工作面向前推进至 40 m 时， 从图 7 可以看出在采空区下方出现明显的卸压现象，左右 两侧卸压角分别为约 96和 112，下伏煤层最大横 向卸压距离约为 54 m； 当保护层工作面向前推进至 60 m 时， 从图 8 可以看出， 在采空区下方左右两侧 卸压角分别约为 98.5和 114，下伏煤层最大横向 卸压距离约为 54 m。 另外， 从图 3 到图 5 可知， 随着保护层工作面的 不断推进，保护层上方塑性变形区域不断增大， 且 变化趋势明显高于保护层下方，从图 6 到图 8 可以 看出应力分布变化特征与应变变化特征基本一致。 2.4讨论分析 2.4.1保护层开采下伏煤岩应变变化特征 对比图 3 及图 4 可以看出， 随着工作面的推进， 保护层下伏煤层塑性变形呈现大幅增大的趋势。对 比图 4 及图 5 发现， 当工作面推进至 60 m 时， 下伏 煤层约 16.7 m 范围内发生塑性变形的区域又恢复 至初始状态，但总体上塑性变形区域仍呈现增大的 趋势。产生这种趋势的原因可能为煤岩体受到了蠕 变影响。当保护层在一定的开采范围内时，下伏煤 层总体上会产生膨胀变形，这是因为保护层的开采 使下伏煤层上方应力重新发生了分布，但因为下伏 煤岩仍然要受到侧向压力的作用，所以会产生急剧 的膨胀变形特点，当保护层开采长度超过某一值 时，保护层开采垂直方向上，下伏煤岩会塑性变形 将会恢复。 2.4.2保护层开采下伏煤岩应力变化特征 对比图 6 至图 8， 当开采保护层时， 会对下伏煤 层有较强的卸压作用，下伏煤层应力会经历增大→ 减小→增大的过程， 当保护层开采至 40 m 时， 会形 成较为稳定的卸压角，随着开采工作面的推进（到 60 m 时） ， 卸压角未发生较为明显的变化， 推测可能 的原因为煤岩体受到了蠕变的影响。 2.4.3保护层开采下伏煤岩应力应变趋势 分别观察保护层开采 10、 40、 60 m 应力应变特 征可以看出，应力及应变变化趋势基本一致。保护 层的开采会引起下伏煤岩应力的重新分布，在一定 的保护层开采范围内会使下伏煤层产生明显的卸压 现象， 且会使下伏煤层产生明显的膨胀变形现象。 说明， 上保护层在开采过程当中， 煤岩体会在蠕 变的作用下产生应力和应变的重新分布，当保护层 开采至 40 m 时是下伏煤层最佳的瓦斯抽采的最优 保护层开采距离，因为此时已经形成稳定的卸压 角， 且下伏煤层塑性变形区域连续。 3工程验证 为了验证数值计算结果的可靠性，对模拟区域 进行了保护层开采有效保护范围的工程考察。 采用深部基点法测定保护层开采过程中被保护 层 （己16-17煤层） 的层厚及压力变化特征， 在保护层 前方 10、 20、 40、 60 m 处通过打钻孔的方式， 在被保 护煤层顶底板岩石中分别安设测点，通过观测 2 个 测点的压力变化来确定被保护煤层位卸压程度。应 力监测结果如图 9。 图 9 可以看出， 在保护层 （己15煤层） 开采后， 被 保护层应力最低点为 6 MPa，说明保护层开采致使 被保护煤层发生应力的重新分布，可有效降低被保 护煤层的煤与瓦斯突出的危险性。测定结果与数值 模拟结果基本接近， 说明数值模拟基本符合实际。 4结论 1） 上保护层的开采会使下伏煤层经历塑性变 形-形变恢复 2 个阶段。 2） 上保护层的开采对下伏煤层有较强的卸压作 用， 下伏煤层应力会经历增大→减小→增大的过程， 当保护层开采至 40 m 时，下伏煤层会形成较为稳 定的卸压角， 受煤岩蠕变破坏影响， 随保护层工作面 的推进及时间的推移， 下伏煤层卸压角有所增加， 但 增加的幅度相对较小。 3） 保护层开采过程中， 下伏煤层的应力、 应变变 化特征基本一致；保护层的开采有助于下伏煤层瓦 斯卸压通道的形成， 有利于下伏煤层瓦斯的释放， 瓦 斯抽采最优保护层开采推进距离为 40 m， 此时蠕变 对应力应变的重新分布影响较小。 图 9应力监测曲线图 Fig.9Stress monitoring curve 64 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 作者简介 撒占友 （1969） ， 内蒙古赤峰人， 教授， 硕士 生导师， 博士， 主要从事工矿灾害预防与控制、 安全与应急 管理方面研究。 （收稿日期 2019-03-29； 责任编辑 朱蕾） 参考文献 ［1］ 撒占友， 李磊， 卢守青， 等. “三软” 煤层上保护层开采 底板围岩透气性演化相似试验研究 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （7） 25-28. ［2］ 宋卫华， 吕鹏飞， 刘晨阳， 等.近距离煤层群上保护层 开采煤岩体动力学演化 ［J］ .辽宁工程技术大学学报 （自然科学版） ， 2014， 33 （9） 1165-1171. ［3］ 李思乾.深井远距离上保护层开采卸压效果研究 ［J］ . 煤矿安全， 2018， 49 （10） 179-182. ［4］ 李维光， 刘虎华， 李超.薄煤层采煤工作面顶板穿层钻 孔瓦斯抽采试验研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2014， 10 （3） 30-34. ［5］ 程详， 赵光明， 李英明， 等.软岩保护层开采卸压增透 效应及瓦斯抽采技术研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2018， 35 （5） 1045-1053. ［6］ 张哲.保护层开采卸压瓦斯运移及抽采技术 ［J］ .煤炭 工程， 2018， 50 （8） 61-64. ［7］ 漆旺生， 凌标灿， 蔡嗣经.煤与瓦斯突出预测研究动态 及展望 ［J］ .中国安全科学学报， 2003， 13 （12） 1-4. ［8］ 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