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图7不同采高下塑性区分布范围 通过对不同采高条件下煤壁附近煤体中的超前 支承压力、剪切应力及塑性区分布规律分析可知，增 大采高是有利于顶煤的破碎和放出的，但要注意到， 采高过大容易导致片帮事故。 综合考虑上述3种因 素及防止工作面片帮， 并注意到3.5 m采高时顶煤 超前峰值应力值最大，最终确定采高为3.5 m。 4工程应用 为验证研究结论的合理性，结合1301工作面工 程条件进行了现场应用，在其它条件不变时，确定机 采高度为3.5 m，即放煤高度为5.5 m。 共统计了现 场15个月的数据，在此期间，工作面推进2 322.4 m， 生产原煤5 332 150 t（矸石含量307 739 t），最大月 产量为397 767 t， 工作面平均月产量为35 5477 t。 煤炭的平均回收率为84.36，按割煤回收率90计 算，顶煤放出率 9.0384.36-3.50.9 5.53 80.8 由以上数据可知，机采高度为3.5 m时，在现场 应用中取得了良好的经济效益，验证了本文研究成 果的合理性和正确性，研究结论可为相似条件的矿 井生产提供一定的指导。 5结语 （1）随着采高的增加，支架上方顶煤中的支承压 力随采高的增加而逐渐增大，对顶煤破碎是有利的， 且顶煤和机采煤中应力峰值出现的位置逐渐向煤层 深部转移，但支承压力峰值位置变化不明显； （2）在工作面上方和前方煤体中有剪切应力集 中现象，支架上方顶煤中的剪切应力集中分布区域随 采高的增加而不断增大， 两者均有利于对顶煤的破 碎。 但煤壁上方顶煤中的最大剪应力由3 MPa增大 到4.8 MPa，剪切应力值较大，容易导致工作面煤壁 片帮，对于安全生产是不利的； （3）根据塑性区分布范围相对增长率随采高的 变化可将其分为3个阶段，即缓慢增大阶段、快速增 大阶段和平稳阶段； （4）综合考虑煤体中应力和塑性区变化规律，在 利于顶煤破碎采出、支护和安全连续生产的原则下， 确定工作面的机采高度为3.5 m， 并将其应用于工 程实践，取得了良好的经济效益，可以为相似条件矿 井的安全高效生产提供一定的指导。 参考文献 ［1］刘宁,杨永康,康天合.综放采场顶煤破坏影响因素的数值试验研 究［ J］.煤炭技术, 2013, 321 65-67. ［2］王君.厚煤层大采高综放开采的煤岩冒放规律及放煤工艺参数研究 ［D］.徐州中国矿业大学, 2008. ［3］刘保宽.安家岭2井工矿特厚煤层综放工作面煤岩活动规律及放 煤工艺研究［D］.徐州中国矿业大学, 2008. ［4］王家臣.我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨［J］.煤 炭科学技术, 2005, 331 14-17. ［5］王家臣,李志刚.极软煤层综放面围岩稳定性离散元模拟［J］.矿 山压力与顶板管理, 20052 1-3，118. 作者简介 郭伟耀（1990-），山西朔州人，在读硕士研究生，研 究方向矿山岩体力学，电子信箱363216782. 责任编辑王秀丽收稿日期2014－11－17 *国家自然科学基金项目（5110405；51274087；51274089）；河南省教 育厅科学技术研究重点项目（14A440002）；河南理工大学博士基金 资助项目（B2012-084） 煤炭技术 Coal Technology Vol.34No.05 May. 2015 第34卷第05期 2015年05月 doi10.13301/ki.ct.2015.05.007 巨厚砾岩下开采上保护层防冲原理数值模拟分析 * 庞龙龙， 徐学锋， 司亮， 张浩， 李正可， 顾树圣 （河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作454003） 摘要 针对受巨厚砾岩影响的冲击危险矿井跃进矿25110面下巷和煤柱处多次发生冲击矿 压的现象，将25110面上部1-2煤层作为保护层，运用数值模拟的方法，对开采不同范围的保护层 后应力控制防冲原理及防冲效果进行分析研究。 研究结果表明，开采保护层的范围与卸压范围、煤 层厚度变化成正比，与卸压效果成反比。 关键词 冲击矿压； 巨厚砾岩； 数值模拟； 上保护层 中图分类号TD324文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2015）05 － 0017 － 04 Numerical Simulation Analysis of Rock Burst Prevention on Protective Seam Mining under Thick Gravel PANG Long-long，XU Xue-feng，SI Liang，ZHANG Hao，LI Zheng-ke，GU Shu-sheng School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China Abstract Based on the occurrence of rock burst in roadway and coal pillar of the typical rock burst and thick gravel influenced the 25110 working face of Yuejin mine, taking the upper 1-2seam as a protective seam, using numerical simulation , the stress control of rock burst prevention and effect with mining the different range of protective seam is studied. The results show that the range of protective seam mining have a direct ratio relation to the scope of relief protective and coal seam thickness, a direct ratio to the relief effect. Key words rock burst; thick gravel; numerical simulation; upper protective seam 0引言 冲击矿压是矿山压力的动力现象,其诱发的因 机采高度/m 塑性区范围/m 16 15 14 13 12 顶煤 3.03.54.04.55.0 17 素很多，如采深、地质构造和厚硬坚硬顶板等，特别 是存在厚硬坚硬顶板的条件下,诱发冲击矿压的可 能性就更高。 近些年国内许多学者对坚硬顶板与冲 击矿压的关系进行了大量研究，窦林名，牟宗龙等 研究了坚硬顶板对冲击矿压的影响及防治方法；王 金安， 杨培举等对巨厚坚硬岩浆岩的破断机理、致 灾机理和防控措施进行了研究；徐学锋等研究了巨 厚砾岩条件下煤矿巷道底板发生冲击矿压的原因 和控制方法；赵善坤等研究了巨厚砾岩下开采不同 范围保护层对区段煤柱和直接顶位移的影响。 但对 巨厚砾岩下，开采保护层对巷道和煤层的影响研究 较少。 开采保护层不仅可以使被保护的煤层及周围 岩体内积聚的能量得以释放，还能破坏上覆岩层整 体结构及传递高应力和能量的途径，在一定的时间 内能够有效地防止冲击矿压的发生。 目前，开采保护层是煤与瓦斯突出和冲击地压 防治的首选区域性措施。 本文以典型的受巨厚砾岩 影响的冲击危险矿井跃进矿为背景，通过数值模拟 的方法，研究25110面上部1-2煤层作为保护层开 采条件下，对25110面的减冲作用，为冲击矿压防 治提供一些借鉴。 1矿井地质和开采条件 义马矿区跃进煤矿曾多次发生冲击矿压，其 25110面在20092013年期间曾发生了12次，其中 3次在25110面下山保护煤柱处发生，9次在25110 面下巷发生。 该工作面长190 m，下巷沿顶板掘进， 上巷在25090面采空区下方沿底板掘进在回采过 程中未发生冲击矿压，所采2-1煤层埋深890 1 040 m，煤层倾角约10，经鉴定具有强冲击危险 性，且其上方有几百米的巨厚砾岩；厚为20 m的直 接顶上方为1-2煤层，厚度为2 m，无冲击危险性。 本文拟采取以1-2煤作为上保护层进行开采，主要 研究在开采保护层后25110面煤层和下巷相应的应 力以及煤岩物理力学参数变化，并分析防冲效果。 2模型的建立及煤岩力学参数 数值模拟模型以跃进矿的地质条件为基础，采 用二维有限差分元软件FLAC2D模拟，地质模型如图 1所示。 图1数值模拟模型示意图 为研究冲击矿压的一般规律，沿煤层倾斜方向 研究，并对地质条件进行简化煤层埋深取930 m， 煤层倾角取0。模型尺寸为1 000 m670 m，在重点 研究区域进行了单元细化，单元个数为227 000，共 分15层，层与层之间设置弱面，主要岩体力学参数 如表1所示。 边界条件为模型左右及下部为固定边 界，上部边界施加300 m岩层重量的均匀分布载荷。 表1煤岩层力学参数 数值模拟过程 原岩应力平衡→开采25030、 25050、25070面→开 采25090面 上 分 层→开 采 160、200、240、280、320 m保护层→开挖25110上下 巷→计算平衡，通过分析25110面下巷和煤层的应 力和位移变化特征，评估其应力控制的防冲效果。 3数值模拟结果与分析 根据数值模拟的结果分析开采不同范围的保 护层后25110面煤层和巷道顶底板、两帮的应力和 煤层位移变化规律， 从而评估开采保护层对25110 面和下巷（上巷）的防冲效果。 3.1未开采上保护层时冲击危险原因分析 （1）煤层中部原岩应力 数值模拟结果显示煤层中部的原岩垂直应力 和水平应力均为25 MPa。 在25090面上分层开采 后，老顶巨厚砾岩的重力向两侧煤体转移，距采空 区45m范围内的应力急剧上升，垂直应力和水平应 力分别保持在4248 MPa、3036 MPa。 此时25110 面煤层中心的垂直应力增加为35.57 MPa， 增幅达 42.28，相当于釆深增加了420 m。 可见，随着临近工作面的开采，在采空区上方 的巨厚砾岩的影响下使25110面煤层内部的应力 上升，是影响冲击地压发生的重要因素。 （2）巷道开挖后围岩应力状态 在原岩应力状态下，巷道周围的平均垂直应力 和水平应力分别为24.56、25.69 MPa。在未开采保护 层时，开挖巷道后围岩中的应力重新分布，顶底板 均出现了较为严重的应力集中。 以底板为例，距巷 道底板5 m处的垂直应力降低为16.40 MPa， 而水 平 应 力 激 增 到 了40.81 MPa， 应 力 差 达 到 了 24.41 MPa，使巷道底板附近的煤岩体的应力由原来 第34卷第05期Vol.34 No.05巨厚砾岩下开采上保护层防冲原理数值模拟分析庞龙龙，等 岩层 名称 砾岩6层 泥岩 1-1煤层 粉砂岩 泥岩 1-2煤层 泥岩 2-1煤层 泥岩 老底砂岩 厚度 /m 590 3 1 12 2 2 20 10 4 26 密度 /kgm-3 2 600 2 500 1 350 2 600 2 500 1 350 2 500 1 350 2 500 2 600 体积模量 /GPa 23.42 4.44 3.33 12.8 4.44 3.33 4.44 3.33 4.44 12.8 剪切模量 /GPa 17.57 1.48 0.71 11.69 1.48 0.71 1.48 0.71 1.48 11.69 摩擦 角/ 40 28 25 35 28 25 28 25 28 35 内聚力 /MPa 29 6 1.68 24.7 6 1.68 6 1.68 6 24.7 2-1＃煤层1-2＃煤层1-1＃煤层 25110上巷25110下巷25090上分层 200m190m160m150 m 2511025090250702505025030 150 m150 m 18 的三向应力状态转化为平面应力状态，更加容易产 生破坏。 因此，高水平应力差是下巷发生底板破坏 和发生冲击矿压的主要因素，且受到采空区顶板巨 厚砾岩和开采活动等因素的影响造成巷道周围的 煤岩体应力高度集中，使煤岩体内蓄积大量的变形 能，很容易达到破坏极限，在巷道支护不当和采动 影响下，易发生冲击矿压。 3.2开采上保护层减冲原理分析 3.2.125110面煤层的应力、厚度变化及分布规律 （1）煤层中应力变化及分布 从图2中可以看出，当保护层开采后煤层中的 应力迅速降低，且被保护的范围与保护层开采的范 围成正比。 由于受到采空区顶板巨厚砾岩的影响 25110面-9595 m为25110面右侧50 m范围煤 岩体的垂直应力有逐渐升高趋势，但均保持22 MPa以 下， 其余大部分区域的垂直应力保持在10 MPa以 下，水平应力均保持在15 MPa以下，此时25110面 处于保护范围内。 （a）垂直应力 （b）水平应力 图2开采不同范围的保护层时煤层中应力曲线 从图3可以看出，25110面中心的垂直应力和 水平应力随着开采保护范围的增大而增大，说明被 保护层的被保护效果与保护层开采的范围成反比。 图3开采不同的保护层时25110面中心处应力曲线 综上所述， 开采280 m保护层后25110面处 在应力降低区内，应力主要集中在15 MPa以下， 对比未开采保护层时有明显的降低。 因此，考虑被 保护层保护范围与保护效果，开采保护层的范围取 280 m。 （2）25110面煤层的顶底板位移变化规律 从图4中可以看出， 在未开采保护层时25110 面煤层属于压缩状态，压缩量约为30 mm，此时煤 层中会积聚大量的弹性能和高应力。 当开挖160 m 保护层时，25110面的煤层有一定的膨胀，膨胀量为 50 mm，膨胀率约为0.5。 随着保护层开采范围的 增大煤层膨胀范围也随之增大，且煤层的膨胀量也 在逐渐增大； 当开采280 m、320 m时煤层膨胀量 较大，特别是开采280 m保护层时煤层局部的膨胀 量最大，且最大值约为110 mm，膨胀率约为1.1。 说明当开采保护层后，煤层膨胀卸压，促使煤层内 部产生大量的破坏，降低了煤层的完整性；同时煤 层上下的岩体也存在膨胀卸压，使煤层处于较低的 应力环境下，降低了发生冲击矿压的可能性。因此， 在开采280、320 m保护层时防冲效果较好。 图425110面煤层厚度在不同模型下的变化量 3.2.2巷道开挖后煤岩力学参数变化规律 （1）巷道开挖后应力变化及分布规律 从图5可以看出（其中x轴负方向代表左帮和底 板，正方向代表右帮和顶板，下同），在开采不同保 护层范围情况下，巷道两帮的垂直应力和水平应力 均迅速降低。 距巷道两帮57 m的垂直应力峰值与 保护层开采的范围成反比，特别是开采160 m保护 层时，其左帮的垂直应力增加为54.49 MPa，相对于 原岩应力增加了121.7； 当开采保护层范围为280、 320 m时， 巷道两帮30 m范围的垂直应力和水平 应力分别稳定地保持在10、15 MPa以下。 应力差 处在5 MPa以下，降低了巷道两帮发生冲击矿压的 可能性。 从图6可以看出，在开采不同保护层范围情况 下开挖巷道后顶底板的垂直应力和水平应力均有 所降低。 特别是开采保护层范围240 m时，顶底板 的垂直应力降低的幅度最明显， 均处在5 MPa以 下；开采280、320 m保护层时，降低的最明显，垂直 应力均处在10 MPa以下，此时下巷顶底板12 m以内 第34卷第05期Vol.34No.05巨厚砾岩下开采上保护层防冲原理数值模拟分析庞龙龙，等 -200-160 距工作面中心距离/m 垂直应力/MPa 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -120-80-4004080120160200 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 -200-160 距工作面中心距离/m -120-80-4004080120160200 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 水平应力/MPa 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 35.57 垂直应力 工作面中心垂直应力/MPa 40 35 30 25 20 15 10 5 0 水平应力 33.31 9.45 4.65 10.9 9.6 4.91 10.21 6.11 12.26 6.53 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 9.49 -100 距工作面中心距离/m 煤层厚度变化量/mm 100 50 0 -50 -100 -150 -80-60-40-20020406080100 19 的水平应力值均在21 MPa以下。 因此在开采280、 320 m保护层时防冲效果较好。 （a）垂直应力 （b）水平应力 图5巷道两帮的应力变化曲线 （a）垂直应力 （b）水平应力 图6巷道顶底板的应力变化曲线 （2）巷道底板的位移变化规律 从图7可以看出，在未开采保护层时巷道底板 中心的位移量为285.6 mm，随着保护层的开采范围 的增加， 底板的位移量逐渐减小。 开采280、320 m 保护层时位移变化量分别为118.8、116.4 mm，减幅 分别为58.40、59.24， 说明此时开采保护层的范 围已经能够很好地防止冲击矿压的发生。 根据以上研究，通过分析25110面和下巷的煤 岩力学参数变化规律和保护效果，综合考虑防冲效 果和可行性， 确定开采280 m保护层时能取得对 25110面较好的解放效果。 图7开采不同范围保护层时下巷底板的位移量 4结语 （1）临近工作面开采过程中，采空区上方巨厚 砾岩的活动， 会使临近待采工作面内的应力增加， 增大了冲击矿压发生的可能性。 （2）随着保护层的开采，上覆岩层不断垮落，使 煤层膨胀卸压，使其内部的弹性能和高应力得到释 放，从而降低了冲击矿压发生的可能性。 （3）开采保护层的范围与卸压范围、煤层厚度 变化成正比，与卸压效果成反比。 因此，要求保护层 开采后，被保护层要及时协调开采。 （4）保护层开采后巷道周围的煤岩体内的应力 迅速降低，其应力值降低的程度与开采保护层的范 围成正比， 应力峰值不断地向煤岩体深部转移，从 而降低了巷道发生冲击矿压的可能性。 （5）开采280 m时对被保护层的巷道和煤层内 应力的释放最明显，且煤层的膨胀范围和膨胀量较 大。 综合考虑防冲效果和可行性，实际开采时可布 置2个工作面进行回采后及时进行被保护工作面 的开采，以达到理想的防冲效果。 参考文献 ［1］窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术［M］.徐州中国矿业大 学出版社,2001. ［2］齐庆新,窦林名.冲击地压理论与技术［M］.徐州中国矿业大学出 版社,2008. ［3］窦林名,刘贞堂,曹胜根,等.坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析 ［J］.煤矿开采,2003,28258-60，66. ［4］牟宗龙,窦林名,倪兴华,等.顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究 ［J］.中国矿业大学学报,2010,39140-44. ［5］王金安,刘红,纪洪广.地下开采上覆巨厚岩层断裂机制研究［J］. 岩石力学与工程学报,2009,28S12 815-2 823. ［6］杨培举,何烨,郭卫彬.采场上覆巨厚坚硬岩浆岩致灾机理与防控 措施［J］.煤炭学报,2013,38122 106-2 112. ［7］徐学锋,窦林名,刘军,等.煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控 制研究［J］.岩土力学,2010,3161 977-1 981. ［8］赵善坤,刘军,姜红兵,等.巨厚砾岩下薄保护层开采应力控制防冲 机理［J］.煤矿安全,2013,44947-49,53. ［9］石必明,俞启香.远距离保护层开采煤岩移动变形特性的试验研 究［ J］.煤炭科学技术,2005,33239-41,45. 作者简介 庞龙龙（1989-），河南尉氏人，硕士研究生在读，研 究方向采矿工程，电子信箱pdspll. 责任编辑王秀丽收稿日期2014－09－11 第34卷第05期Vol.34 No.05巨厚砾岩下开采上保护层防冲原理数值模拟分析庞龙龙，等 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 -32 水平方向距巷道中心距离/m 垂直应力/MPa 60 50 40 30 20 10 0 -28 -24 -20 -16 -12 -80-4481216 20242832 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 -32 水平方向距巷道中心距离/m 水平应力/MPa 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -28 -24 -20 -16 -12 -80-448121620242832 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 -22 竖直方向距巷道中心距离/m 垂直应力/MPa 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -18-14-10-6-22610141822 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 -22 竖直方向距巷道中心距离/m 水平应力/MPa 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -18-14-10-6-22610141822 285.6 118.8 下巷底板中部位移量/mm 300 250 200 150 100 50 0 116.4 269.7 190.1 未开采保护层 开采240m保护层 开采160m保护层 开采280m保护层 开采200m保护层 开采320m保护层 134.3 20