不同间距上保护层开采卸压效应UDEC数值模拟.pdf

第 33 卷第 3 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2014 年 3 月 Vol.33 No.3 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Mar. 2014 收稿日期2013-08-21 基金项目国家自然科学基金资助项目（51174157，51104118，51204134） ；陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目（2011JQ7015） ；陕西省教 育厅专项科研基金资助项目（2013JK0865，2013JK0876） 作者简介李树刚（1963-） ，男，甘肃 会宁人，博士，教授，主要从事安全科学与工程方面的研究. 本文编校史庆华 文章编号 1008-0562201403-0294-04 doi10.3969/j.issn.1008-0562.2014.03.002 不同间距上保护层开采卸压效应 UDEC 数值模拟 李树刚，索 亮，林海飞，赵鹏翔，王翠霞，魏宗勇 （西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054） 摘 要为了对比研究不同间距上保护层开采时对被保护煤层的保护效果，利用 UDEC 软件对不同间距上保护 层开采卸压效应进行了数值模拟， 得到不同间距保护层开采时， 被保护层在开采过程中的垂直应力和位移变化规 律，结果表明上保护层开采后，采空区下部的被保护层垂直应力随间距的减小而减小，垂直位移随间距的减小 而升高.并且模拟得出开采后不同间距被保护层的卸压率、卸压角和变形膨胀率，为预防煤与瓦斯突出，优化卸 压瓦斯抽采系统，提高卸压瓦斯抽采质量浓度、抽采量以及抽采率提供了一定理论依据. 关键词不同间距；上保护层开采；数值模拟；卸压；垂直应力；垂直位移 中图分类号TD 713 文献标志码A Numerical simulation of pressure relief effects of protective layer mining in different distances LI Shugang, SUO Liang, LIN Haifei, ZHAO Pengxiang, WANG Cuixia, WEI Zongyong School of Mining Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China Abstract In order to study the protective effect of protective layer to the protected layer in different distances contrastively, numerical simulation was conducted by using UDEC for the pressure relief effects of protective layer in different distances. The results really reflected the variational law of stress and displacement of protected layer with protective layer in different distances. The results show that, after the upper protective layer is mined, the vertical stress of protected layer under the gob decreases with decreases of distance, and the vertical displacement of protected layer under the coal pillar increases with the decreases of distance. The obtained release rate, release angle and dilatational strain rate of protected layer from the numerical simulation provided some theoretical basis on the prevention of gas outburst, optimization of the drainage system of pressure relief gas, and improvement of drainage concentration, volume and rate of pressure relief gas. Key words different distances; protective layer mining; numerical simulation; pressure relief; vertical stress; vertical displacement 0 引 言 近年来，随着中国矿井开采向深部延深，一些 浅部非突出煤层进入深部后逐渐转变为突出煤层， 中国已经成为世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国 家[1-3]，而开采保护层是最有效、最经济的区域性预 防突出技术措施[4-5].保护层开采后， 被保护层的应力 变形状态和瓦斯动力参数发生变化，在其卸压带内， 煤岩体变形破裂和裂隙伸张将大幅度地提高煤岩体 瓦斯运移的透气性，产生“卸压增透增流”效应， 形成瓦斯“解吸-扩散-渗流”活化流动的条件，瓦斯 压力急剧下降，解吸的瓦斯通过裂隙泄入保护层工 作面，同时配合卸压瓦斯的抽采，可达到消除被保 护层瓦斯突出危险性的目的[6-10].因此，研究在上保 护层开采时被保护层的卸压效应，对瓦斯抽采及保 护效果的确定具有重要的理论和实际意义. 1 UDEC 数值模型的建立 1.1 模型的基本参数 本次模拟以某矿 108 工作面及其采动环境为模 型.108 工作面长 176 m，走向长 2 000 m.煤层结构 简单，厚度比较稳定，平均 1.3 m 左右.煤层顶底板 均为细砂岩和砂质泥岩，采用后退式走向长壁综合 第 3 期 李树刚，等不同间距上保护层开采卸压效应 UDEC 数值模拟 295 机械化开采，全部垮落法管理顶板.模型的柱状、岩石力学参数性质见表 1. 表 1 模型的煤岩层力学参数 Tab.1 coal rock mechanics parameter of model 岩石性质 密度 d/（gcm-3） 体积模量 K/GPa 剪切模量 G/GPa 内摩擦角/f 内聚力 C/MPa 抗拉强度 σ/MPa 中砂岩 2 500 20 16 30 4 1.5 砂质泥岩 2 460 7.5 4.5 30 2.5 1.3 煤层 1 400 5.0 3.5 28 2.2 1.0 泥岩 2 500 12 9.0 32 0.8 1.2 1.2 模型的边界条件 模型的边界范围见图 1，模型高 100 m，长 200 m，模拟采深 600 m.考虑到模型边界效应的影 响，模型的始采线位置距模型左边界 28 m，终采线 距模型右边 28 m，上保护层开采方向从左到右，开 采长度为 144 m.为了研究方便，可将上部载荷的分 布形式简化为均布载荷，上部边界条件为应力边界 条件.模型的两侧和下部边界简化为位移边界条件. 图 1 上保护层开采数值模拟力学模型 Fig.1 mechanical model of numerical simulation for protective layer mining 1.3 模型开采方法 上保护层开采后，下伏（煤）岩移动、变形、 破坏是一个渐进的演变过程，是伴随着工作面向前 推进，采空区范围不断扩大，应力不断调整变化的 过程.为了掌握其发生和发展演化规律， 针对不同间 距的上保护层开采，建立 3 个数值模型，其保护层 与被保护层间距分别为 8 m，16 m，24 m. 2 卸压效应的理论分析 在被保护层顶板处每隔8 m布置一个垂直应力 和垂直位移的监测点，用以监测不同间距的上保护 层开采过程中，被保护层垂直应力和位移的变化规 律.垂直应力和位移的变化可以通过卸压率和变形 膨胀率直观地反应，其计算公式为式（1） 、式（2） ， 卸压角可以通过式（3）求得. y s y    ， （1） y d S M ， （2） arctan y x L S  . （3） 式中， s 为卸压率，； y 为卸压后的垂直应力， MPa； y 为原始垂直应力，MPa； d 为变形膨胀 率， ； y S为被保护层在垂直位移上的变化量，m； M 为被保护层煤层厚度，m；为卸压角，；Sx 为被保护层卸压分界点与切眼的平距，m；Ly为保 护层与被保护层的间距，m. 3 数值模拟结果分析 3.1 2监测点垂直应力变化规律 2监测点位于被保护层左侧， 保护层煤柱下方， 与切眼平距-20 m，图 2 为 2监测点随工作面推进 时的卸压率变化规律. 卸压率/ 图 2 不同间距下 2监测点随工作面推进卸压率变化 Fig.2 pressure relief rate changes of 2 monitoring point under the different distances 从图 2 中可以看出，2监测点的垂直应力随着 工作面的推进，是一个先升高，在达到峰值后再降 100 m 200 m 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 33 卷 296 低，再逐渐趋于稳定的过程，稳定后的垂直应力大 于原始应力.这是因为 2监测点位于开采层煤柱下 方，在采动卸压后处于一直应力集中区，故其垂直 应力会先升高，并随着工作面的周期来压出现小幅 波动后逐渐下降并趋于稳定.而且，8 m 间距时应力 增幅最大，24 m 间距时最小，这是因为随着保护层 与被保护层间距的减小，垂直应力呈线性递增，且 始终大于原始应力. 3.2 9监测点垂直应力变化规律 9监测点位于被保护层中部，保护层采空区下 方，与切眼平距 36 m.图 3 为 9监测点随工作面推 进时的卸压率变化规律. 图 3 不同间距下 9监测点随工作面推进 卸压率变化 Fig.3 pressure relief rate changes of 9 monitoring point under the different distances 从图 3 可以看出，9监测点的垂直应力随着工 作面的推进，是一个先升高，在达到峰值后再急剧 降低，再升高，再逐渐稳定的过程，稳定后的垂直 应力小于原始应力.这是因为随着工作面的推进， 被 保护层垂直应力重新分布，在工作面还未推过 9监 测点上部时，一直位于应力集中区，垂直应力表现 为持续增加.随着工作面推过 9监测点上部， 形成采 空区时，9监测点位于应力卸压区，垂直应力表现 为迅速下降.随着工作面的往前推进， 周期来压的出 现，垂直应力在小幅升高后逐渐稳定，但始终小于 原始应力.并且，8 m 间距时曲线变化最大，24 m 间 距时曲线变化最小，说明保护层和被保护层间距越 小，被保护层卸压区的煤岩变形膨胀越大，应力释 放越明显.并且从图中还可以看出， 位于煤柱下方的 2监测点在开采保护层后卸压率大于 1，并且随着 保护层间距的增大垂直应力增幅变小.位于采空区 下方的 9监测点在开采保护层后卸压率小于 1，并 且随着保护层间距的增大垂直应力减幅也变小.从 而说明保护层间距和卸压效果成反比关系. 3.3 卸压率与变形膨胀率的对比 图 4 为保护层在开采结束后变形膨胀率和卸压 率的变化曲线.从图 4 可以看出， 当上保护层工作面 开采结束后，被保护层下伏煤岩的应力都转移集中 到了模型两端保护煤柱的下方，煤体被压缩，造成 垂直位移下降.随着保护层与被保护层间距的增加， 下伏煤岩的垂直应力呈线性递减，垂直应力变化变 小，且均高于原始应力，煤体压缩变形也变小，且 均低于原始高度.而位于采空区下部的被保护层垂 直应力较原始垂直应力普遍降低，这是由于上保护 层开采过后，采空区下伏煤岩由于卸压作用，产生 变形膨胀，应力得到释放.而随着保护层间距的增 加，下伏煤岩的垂直应力呈线性递减，垂直应力变 化变小， 且均小于原始应力， 煤体变形膨胀也变小， 且均高于原始高度. 图 4 不同间距上保护层开采后变形膨胀率 与卸压率关系 Fig.4 relation between deation of expansive and pressure relief of protected layer after the protective layer mined in different distances 从图 4 中可以直观地看出，保护层两侧煤柱下 方 20 m 范围内被保护层的卸压率大于 1 （垂直应力 相对原始应力增加） ，变形膨胀率为负值（垂直位 移相对原始高度降低） ，且当卸压率越大时，变形 膨胀率的负值越大，说明此区域处于应力集中区， 煤体出现压缩变形.保护层采空区下方 160 m 范围 被保护层的卸压率小于 1（垂直应力相对原始应力 减小） ，变形膨胀率为正值（垂直位移相对原始高 度升高） ，且当卸压率越小时，变形膨胀率的正值 越大，说明此区域处于应力降低区，煤体出现变形 膨胀.并且， 被保护层的垂直应力沿水平方向呈倒马 第 3 期 李树刚，等不同间距上保护层开采卸压效应 UDEC 数值模拟 297 鞍形分布，垂直位移沿水平方向呈马鞍形分布，从 而进一步说明卸压率和变形膨胀率呈反函数关系. 通过分析统计可以得出采空区下部的被保护层的 卸压率、卸压角和变形膨胀率见表 3. 表 3 采空区下部被保护层的平均卸压率、卸压角 和变形膨胀率 Tab.3 average pressure relief rate, angle and deation of expansive rate under the goaf 间距/m 平均卸压率/ 卸压角/ 平均变形膨胀率/ 8 0.78 70 4.65 16 0.83 68 1.78 24 0.89 62 0.86 4 结 论 （1）当上保护层开采活动结束后，被保护层 的垂直应力沿水平方向呈倒马鞍形分布，垂直位移 沿水平方向呈马鞍形分布.采空区下部被保护层的 垂直应力低于原始应力，垂直位移高于原始高度， 并且保护层与被保护层间距越近卸压效果越明显. （2）上保护层开采后，引起了被保护层垂直 应力的重新分布， 通过 2和 9垂直应力监测点的随 工作面推进的变化曲线验证了被保护层垂直应力 在水平方向上划分为 4 个特征区， 即 原岩应力区、 压缩区、膨胀区和应力恢复区. （3）对上保护层开采卸压数值模拟结果分析 可知，根据被保护层垂直应力和位移变化，能合理 设计和布置瓦斯抽采钻孔，提高卸压瓦斯抽采浓度 和抽采量，进一步消除被保护层的突出危险性，实 现煤与瓦斯的安全共采. 参考文献 [1] 鲜学福,辜敏,李晓红,等.煤与瓦斯突出的激发和发生条件[J].岩土力 学,2009,303577-581. 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