采动卸压范围研究

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摘要：运用FLAC3D数值模拟软件分析了覆岩顶板的运移规律，确定了开采煤层围岩体的卸压区域，有利于瓦斯的高效抽采和采场支护的及时转移。

关键词：FLAC3D

1.引言

煤层开采造成煤岩体的应力集中与卸压，随工作面推进，采空区增大，煤层上覆岩层弯曲下沉，逐渐破断形成采场周期来压[1]。煤层前方周期性的出现应力集中与卸压，煤层覆岩顶板周期性破断。煤层前方卸压区域的确定有利于采动卸压瓦斯的有效抽采和支护强度的适度降低。

2.数值模型的建立

2.1 几何模型的创建

设计FLAC3D数值模型长度为220 m，宽度为1m，高度为120m，将三维采场视为平面应变问题，模型仍以三维方式建立，对模型运算结果影响不大，但极大提高了运算速度。模拟采深418m，煤层厚5m，平均倾角5°，为近水平煤层，模型即简化为水平煤层，开切眼位于x=160m处。

模型计算边界条件：模型顶部为应力边界条件，模型顶部泥岩实际埋深323.46 m，取平均岩体容重γ=25 kN/m3施加大小为8.09 Mpa的均布荷载，整体y（宽度）方向及左右两边、底边边界为位移边界条件。

2.2 材料模型的定义

材料模型选着适合于岩土开挖的摩尔-库仑模型，本模型模拟综放采场的开挖，需要考虑采场的应力及塑性破坏问题。根据现场取样和岩石力学试验结果，当载荷达到强度极限后，岩体产生破坏，在峰后塑性流动过程中，岩体残余强度随着变形发展逐步减小。因此，计算中采用莫尔―库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏；采用应变软化模型以反映煤体破坏后随变形发展残余强度逐步降低的性质，其计算公式为

式中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，C和φ分别是粘结力和摩擦角。fs代表材料发生破坏的临界值，当fs>0 时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3≥σT）判断岩体是否产生拉破坏。

模型所需的材料属性参数根据以往实验室测得的数据和前人在模拟实验中所选取的合理参数取值。本数值模拟在参数合理和模型理想的情况下，通过模拟五阳煤矿采煤过程，分析采场矿压规律及煤岩体破坏趋势以更好的指导煤与瓦斯共采。

3.数值模拟结果分析

模型运算时，在工作面前方1 m、3 m、5 m、7 m从模型底部至模型顶部布置4条测线，每条测线由120个测点构成，测点间隔1 m，监测各点的铅直应力并与原岩应力相比较得到该点的应力系数后，以测点距模型底边界的距离为纵坐标，应力系数为横坐标得到工作面前方不同纵向线上应力系数随距模型底部距离的变化曲线如图1.1所示。由图1.1可得：在工作面前方1 m、3 m处受模型大小所限，模型自下而上均处于卸压状态由以煤层层位的卸压最明显；工作面前方5 m处煤层层位以下基本处于卸压状态而煤层覆岩基本处于增压状态；工作面前方7 m处除煤层底板21 m以下为卸压状态，其余均为增压状态。不同纵向上煤岩体应力系数的变化均以煤层为转折点说明煤层既是卸压明显区又是应力集中区，而应力系数值的不等值性表明煤岩体的破断步距不同，整体趋势为纵向上距煤层越远岩体破断步距越大。煤层上方约6-10 m、20-24 m处曲线的应力系数有增大波动，可判断该两处分别为老顶及该模型内的关键层，岩性分别为老顶砂岩和中粒石英砂岩。

4.结论

由数值模拟可得以下结论：开采造成采空区周围煤岩体的卸压及工作面前方的应力集中，煤层前方0-5 m范围为卸压区，煤层前方7 m以远区域为增压区；由煤层向上越远煤岩体破断布距越大，煤层上方约6-10 m、20-24 m内的岩体为模型内的关键层，岩性分别为老顶砂岩和中粒石英砂岩。

参考文献：

[1]吴仁伦，许家林，孔翔，等.长综放面采动上覆煤层的瓦斯卸压规律研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（1）：8-12.