陳 寶，張 坤，潘立文，黃旻鵬，饒貴仕，鄭小龍

（江西省應(yīng)急管理科學(xué)研究院，江西 南昌 330030）

全世界進(jìn)行過煤礦開采活動(dòng)的國家?guī)缀醵及l(fā)生過煤與瓦斯突出事故[1-2]。根據(jù)科研和工程技術(shù)人員長期理論研究以及實(shí)踐，保護(hù)層開采是一種防治突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域防突措施[3-4]。

在研究保護(hù)層開采防突機(jī)理方面，采用“發(fā)生突出的瓦斯壓力最小值” 來判別劃分保護(hù)層開采保護(hù)范圍，不能準(zhǔn)確地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，具有一定的局限性，這是因?yàn)椤鞍l(fā)生突出的瓦斯壓力最小值”本身就只是來源于基于現(xiàn)場的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[4-6]。

《煤礦安全規(guī)程》[7-8]第204、205條規(guī)定：“具備開采保護(hù)層條件的突出危險(xiǎn)區(qū)，必須開采保護(hù)層”，“ 有效保護(hù)范圍的劃定及有關(guān)參數(shù)應(yīng)當(dāng)實(shí)際考察確定”；《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》 第63條規(guī)定：“首次開采保護(hù)層時(shí)，可參照附錄E確定沿傾斜的保護(hù)范圍、沿走向（始采線、終采線）的保護(hù)范圍、保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距、開采下保護(hù)層時(shí)不破壞上部被保護(hù)層的最小層間距等參數(shù)?！痹撘?guī)定給出的保護(hù)卸壓范圍在緩傾斜、傾斜煤層開采時(shí)得到了很好的應(yīng)用，劃定的保護(hù)卸壓范圍基本能和煤礦現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)保持吻合。但在進(jìn)行急傾斜保護(hù)層開采時(shí)，由于煤層產(chǎn)狀的特殊性，回采后煤巖體的地應(yīng)力、上下頂?shù)装鍘r層的采動(dòng)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(zhì)構(gòu)造一般較復(fù)雜，褶皺、斷裂均較發(fā)育，煤層傾角較大，以傾斜、急傾斜煤層居多。目前大都是對(duì)近水平保護(hù)層開采的保護(hù)范圍以及保護(hù)效果進(jìn)行研究，研究成果為近水平煤層保護(hù)層開采起到了指導(dǎo)性的作用。但是對(duì)于急傾斜煤層，由于開采過程中上覆巖層的冒落移動(dòng)、裂隙發(fā)育程度、被保護(hù)層的變形狀態(tài)以及卸壓程度都與近水平煤層保護(hù)層開采不同，近水平保護(hù)層開采的保護(hù)范圍以及保護(hù)效果的研究成果不能應(yīng)用于急傾斜保護(hù)層開采，因此，對(duì)于急傾斜保護(hù)層開采的保護(hù)范圍和效果需要單獨(dú)研究。

1 研究內(nèi)容和技術(shù)路線

1.1 研究內(nèi)容

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

1.2 技術(shù)路線

根據(jù)江西省樂平礦務(wù)局北部礦區(qū)和萍鄉(xiāng)礦務(wù)局青山、巨源礦區(qū)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(hù)層，采用數(shù)值模擬的方法研究兩種傾角條件下保護(hù)層采動(dòng)對(duì)煤層頂板和被保護(hù)煤層的影響，然后對(duì)這兩種不同傾角條件下的頂板變形情況以及被保護(hù)層的卸壓情況進(jìn)行對(duì)比分析研究[11-18]。

2 不同傾角下保護(hù)層采動(dòng)影響范圍數(shù)值模擬研究

2.1 工程概況

研究區(qū)域內(nèi)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(hù)層，4（第2層）煤層為被保護(hù)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(jù)實(shí)際情況取平均傾角65°和45°進(jìn)行數(shù)值模擬，除了傾角不同，煤巖層的賦存以及地質(zhì)條件情況保持一致。各煤（巖）層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各煤（巖）層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算模型建立

在計(jì)算模型的尺寸確定時(shí)，要選取合適的幾何尺寸，尺寸太大網(wǎng)格數(shù)過多容易浪費(fèi)計(jì)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(jì)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(gè)單元； 傾角45°模型寬為165 m，共劃分為48 000個(gè)單元。

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

除上部邊界外所有邊界均設(shè)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(gè)初始地應(yīng)力作用和開采過程設(shè)置為若干個(gè)荷載步，在各個(gè)荷載步中實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力作用和開采推進(jìn)步驟，分三步（保護(hù)層開采之前即step1、工作面推進(jìn)55 m時(shí)即step2、工作面推進(jìn)120 m時(shí)即step3）逐一求解。

在被保護(hù)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(gè)剖面，第一個(gè)剖面距右端102 m（剖面1），第二個(gè)剖面距右端150 m（剖面2），第三個(gè)剖面距右端174 m（剖面3）。

2.3 分析結(jié)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(qū)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(shí)不一樣，在保護(hù)層和被保護(hù)層之間的巖層，中間位移大，兩端逐漸減小；在采空區(qū)的下方，各煤巖層的水平位移分布情況與傾角為65°時(shí)相似，越靠近采空區(qū)底板底鼓越明顯；從時(shí)間上可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，受采動(dòng)影響的區(qū)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(shí)水平方向位移云圖

圖2 傾角為45°時(shí)水平方向位移云圖

（2）為了查看頂板應(yīng)力隨時(shí)間的變化，在頂板上布置了一個(gè)測點(diǎn)25919，在工作面推進(jìn)到該測點(diǎn)之前，該點(diǎn)處法向應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)逐漸增大，在工作面推過該測點(diǎn)以后，該點(diǎn)處法向應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)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(diǎn)25919 的法向應(yīng)力時(shí)程曲線

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

圖4 被保護(hù)煤層法向應(yīng)力分布曲線

圖5 保護(hù)煤層和被保護(hù)煤層的空間位置

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

圖6 被保護(hù)煤層沿Z 方向的法向應(yīng)力分布曲線

3 對(duì)比分析

3.1 法向位移對(duì)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(fā)生變形的范圍也要大，這主要是因?yàn)閮A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(qū)偏上邊界的位置，這與現(xiàn)場的測試結(jié)果也比較一致，在急傾斜煤層開采條件下，現(xiàn)場實(shí)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(guī)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(duì)比

3.2 法向應(yīng)力對(duì)比

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

圖8 模型第六層頂板法向應(yīng)力（step3 剖面距右端130 m 位置）

3.3 卸壓程度對(duì)比

為了定量分析被保護(hù)煤層的卸壓程度，將被保護(hù)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(hù)層的卸壓情況，兩種模型中被保護(hù)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(hù)煤層卸壓程度對(duì)比

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)樂平礦務(wù)局北部礦區(qū)和萍鄉(xiāng)礦務(wù)局青山、巨源礦區(qū)急傾斜煤層群傾角為65°和45°的煤層下保護(hù)層開采的卸壓效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論如下：

1）保護(hù)層開采后，傾角為65°時(shí)沿傾向60 m左右的位置應(yīng)力釋放程度最大； 傾角為45°時(shí)在沿傾向95 m左右的位置應(yīng)力釋放程度最大，在應(yīng)力釋放區(qū)的四周區(qū)域應(yīng)力會(huì)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(fā)生變形的范圍也要大。

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

4）傾角65°和45°模型中被保護(hù)層的卸壓范圍大小和卸壓程度都比較一致。