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摘要：针对高瓦斯煤层群安全高效开采的问题，为模拟近距离煤层群条件下“三软”煤层开采过程中顶底板煤岩层破裂移动规律，以及随着上保护层工作面推进，下被保护层煤层产生的变形和应力分布特征，据此该煤矿2号薄煤层上保护层22201工作面为现场依据，采用UDEC数值模拟软件，设计了“三软”煤层开采矿压显现规律的数值模拟方案。
关键词：“三软”煤层;矿压显现;岩层移动;数值模拟
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-04-330
1 工程概况
某煤矿工业场地距县城约5km。井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积约135km2。经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。矿井以两个水平开拓全井田，一水平开拓山西组2、3、4、5号煤，水平标高+400m，二水平开拓太原组6、8、9、10号煤。矿井目前生产水平为+400m水平。22201工作面是某矿北二采区2号煤的保护层首采面，工作面走向长度约1538m，倾向长150m。工作面地质构造相对简单，总体呈单斜构造，煤层倾向西，平均倾角4°，平均煤厚1.35m，工作面标高+396m～+486m。22201工作面采用沿空留巷Y型通风方式，随着工作面的推进，通过巷旁充填将22201机轨合一巷保留下来作为22202工作面的回风巷。22201沿空留巷Y型通风工作面通风系统：采区进风巷→22201辅助运输巷及22201机轨合一巷→22201工作面→22201机轨合一巷沿空留巷→22202开切眼→22202轨道巷→采区回风巷。22201工作面北面已形成了22202工作面，其余2号煤均未开拓，其下部为3+4号煤层工作面，仅南面正在掘进的24208工作面，其它方位4号煤工作面均未施工。22201工作面是该矿北二采区2号煤的保护层首采面，工作面走向长度约1538m，倾向长150m。平均倾角4°，平均煤厚1.1m。
2 “三软”较薄煤层开采采动裂隙演化特征分析
为模拟2号煤层回采时的采动裂隙演化规律，回采从模型右边距边界50m处开切眼向左推进，模拟从回采30m开始，分别模拟推进30m、60m、90m、120m、150m五个回采段。采用UDEC数值模拟软件模拟了工作面推进不同距离时的顶底板裂隙情况。
通过模拟结果分析可知，開切眼形成以后，上覆岩层悬露，直接顶受开采而引起的卸载膨胀变形，随着工作面向前推进，在重力作用下岩层发生变形，当工作面到30 m左右时，第Ⅰ亚关键层破断，采空区内部及上方的裂隙开始充分发育，采空区下方的岩层中，裂隙也开始发育并与采空区中的裂隙沟通，形成瓦斯运移的通道。随着工作面的推进，覆岩应力卸压采空区向上、向下发展，距离2煤底板14m的3+4煤层受到采动影响，采空区垂直方向上垂直应力4～8MPa，但卸压范围小，卸压程度比较低。工作面推进到60m时，基本顶发生周期来压，基本顶附近岩层随之发生拉伸破坏，顶板裂隙发育较大，上覆岩层产生垂直、层间裂隙，裂隙贯通，采空区底板发生变形。由围岩应力分布可知，工作面前方和切眼外侧附近煤岩应力集中，应力最大值达到20MPa，应力影响范围约为20m左右，同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域为围岩应力有所恢复。工作面继续推进过程中，直接顶自行冒落，受采动的影响，上位岩层和底板岩层在主应力和剪应力的作用下，不断的发生破坏运动，且离层和垂直裂隙不断的发展，随着工作面的移动向前发育，采空区基本顶垂直方向以上以层间裂隙发育为主，垂直裂隙主要发育范围为基本顶上方25m和煤层底板下方15m。工作面继续推进过程中，岩层呈现周期运动的特征，由裂隙分布可知，在垂直方向上采空区底板底鼓量减少，围岩逐渐被压实，裂隙逐渐消失，覆岩和地板岩层移动和裂隙发育范围趋于稳定。由围岩应力分布可知，3+4号煤层垂直应力值约为4Mpa，为原岩应力值的1/3，卸压程度进一步的增大，同时3+4号煤卸压范范围扩大;推进到150m时，卸压位于采空区中部的覆岩重新趋于压实，位于采空区中部的中组煤铅直应力已基本恢复至原岩应力，但在采空区两侧仍各保持一个卸压区，因而在采空区四周形成一个铅直应力降低区，它与采动裂隙“O”形圈是对应的。
综上分析主要得出以下结论：
（1）在22201保护层工作面回采时，在开切眼和工作面附近出现应力集中现象，工作面前方和切眼外侧附近煤岩应力集中，应力最大值达到20MPa，应力影响范围约为20m左右，同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域为围岩应力有所恢复。
（2）随着22201保护层工作面的开采，下邻近3+4号、5号煤将发生卸压的效果，3+4号煤层垂直应力值约为16MPa，为原岩应力值的1.39倍，5号煤层垂直应力值达12MPa，为原岩应力值的1.07倍，卸压效果明显，而且随着工作面的不断推进，卸压程度将进一步的增大。
（3）随着22201工作面的不断推进，基本顶经历初次来压后将发生周期来压，顶底板裂隙发育充分，上覆岩层产生垂直、层间裂隙，裂隙贯通，垂直裂隙主要发育范围为基本顶上方25m和煤层底板下方15m，形成瓦斯运移的通道。随着采空区中部的覆岩重新趋于压实，位于采空区中部的中组煤铅直应力已基本恢复至原岩应力，但在采空区两侧仍各保持一个卸压区，因而在采空区四周形成一个铅直应力降低区，它与采动裂隙“O”形圈相对应。
3矿压显现规律的数值模拟研究
UDEC能很好地模拟煤层开挖后顶板冒落、垮落、离层的过程，以某煤矿保护层22201回采工作面为现场模型，建立数值模型，模拟“三软”煤层开采过程中覆岩垮落的动态发展过程，得出底板和覆岩破裂移动规律。
3.1 模型的建立及参数的选取
模拟计算以某煤矿北翼2号煤22201工作面及其采动环境为模型。根据某矿生产地质条件，2号煤层倾角平均为4°，工作面沿走向推进，建立工作面推进方向的水平数值计算模型，模型模拟2号煤层厚度1.35m，采高1.6m，其中割底0.25m，下方3+4号煤层厚度4.12m，间距14m，下方5号煤厚度1.6m，与2号煤间距22.1m。 根据煤岩层综合柱状，确定计算模型采用摩尔—库仑模型。建立的数值分析模型如图1，走向模型尺寸为250×65.1m，采用平面应变模型。模拟计算模型边界条件如下：位移边界条件：模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移，下部边界限制y方向的位移。
3.2 模拟的内容及方案设计
模拟的内容围绕模拟的目的进行，本次模拟主要是要看在距离煤层群中2号煤层开采后，随保护层工作面推进，下部煤层煤体应力和变形分布特征，
在工作面推进方向，2号煤层工作面基本顶的初次垮落步距为31m，周期来压步距为14m，为模拟初次来压前后和周期来压期间的裂隙演化和应力、位移变化情况，在走向推进方向设计了以下5种模拟方案：1.工作面的推进距离为30m;2.工作面的推进距离为60m;1.工作面的推进距离为90m;4.工作面的推进距离为120m;5.工作面的推进距离为150m。
4煤层顶板变形和应力的动态演化分析
在坐标为50m处为开切眼，模拟2号煤层工作面推进30m、60m、90m、120m、150m五个阶段的顶板的移动变形和煤层应力规律，顶板观测线设在2号煤层基本顶中部。
（1）上保护层开采过程中顶板围岩移动变形分析
根据图2可以看出，工作面推进30m时，基本顶初次来压，顶板观测线移动量程“V”字形，左右对称，最大下沉量为844mm，随着工作面的推进，采空区越来越大，顶板下沉范围和下沉量越来越大，工作面推进到60m时最大下沉量为958mm，工作面推进到90m时最大下沉量為1037mm，工作面推进到120m时最大下沉量为1052mm，工作面推进到150m时最大下沉量为1070mm。随着工作面的推进，顶板的下沉量程“U”字形向前演化。
2）上保护层开采过程中顶板的应力分析
根据图3可以看出，工作面推进不同距离产生的垂直应力变化规律是大致相同，随着工作面的推进，采空区的范围不断扩大，破坏了原有的应力平衡状态，使围岩的应力状态重新分布。从图中可以看出，开采后顶板应力可以分为三个区域：应力增高区、充分卸压区和应力平缓区。上覆岩层的垂直应力随着工作面的推进逐渐增大，并且在工作面前方和开切眼处纵向应力最大，且推进距离越大应力集中处的峰值也越大。而且工作面前方应力集中随着工作面的推进动态变化的，应力峰值随着工作面的推进不断向前迁移。当工作面推进90m时，工作面位于图中横坐标140m处，应力集中出现在工作面前方12m（横坐标152m）处，工作面前方的支撑影响范围约为35m。当工作面推进120m时，工作面位于图中横坐标170m处，应力集中出现在工作面前方12m处，工作面支撑影响范围约为40m，说明应力集中和支撑影响范围随着工作面的推进有规律的向前推进变化。
5 结论
（1）采用UDEC软件构建了工作面倾斜和走向模型，通过数值模拟分析得出：随着工作面的不断推进，顶底板裂隙发育充分，并有向顶底板煤岩层深部不断发育扩展的趋势，浅部煤岩层主要产生穿层、离层裂隙，裂隙交叉贯通，并与采空区中的裂隙沟通，深部主要产生离层张裂隙，离层和穿层裂隙构成卸压瓦斯运移的通道;在保护层开采过程中，煤岩层的应力是动态变化的，随着工作面的不断推进而不断变化。在工作面前方和切眼外侧附近煤岩层出现应力集中现象，垂直应力达到20MPa，应力影响范围约为20m左右;同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m～20m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域围岩应力趋于恢复稳定。
参考文献
[1]秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010，（4）：85-86.
[2]杨 柳.上保护层开采卸压数值模拟与保护效果考察[J].煤矿安全，2011（7）：129-131.
作者简介：
余长柱（1998.11-），男，汉族，贵州省安顺市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究
项目基金：贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202010977009）
作者单位：贵州六盘水师范学院矿业工程系
关键词：“三软”煤层;矿压显现;岩层移动;数值模拟
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-04-330
1 工程概况
某煤矿工业场地距县城约5km。井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积约135km2。经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。矿井以两个水平开拓全井田，一水平开拓山西组2、3、4、5号煤，水平标高+400m，二水平开拓太原组6、8、9、10号煤。矿井目前生产水平为+400m水平。22201工作面是某矿北二采区2号煤的保护层首采面，工作面走向长度约1538m，倾向长150m。工作面地质构造相对简单，总体呈单斜构造，煤层倾向西，平均倾角4°，平均煤厚1.35m，工作面标高+396m～+486m。22201工作面采用沿空留巷Y型通风方式，随着工作面的推进，通过巷旁充填将22201机轨合一巷保留下来作为22202工作面的回风巷。22201沿空留巷Y型通风工作面通风系统：采区进风巷→22201辅助运输巷及22201机轨合一巷→22201工作面→22201机轨合一巷沿空留巷→22202开切眼→22202轨道巷→采区回风巷。22201工作面北面已形成了22202工作面，其余2号煤均未开拓，其下部为3+4号煤层工作面，仅南面正在掘进的24208工作面，其它方位4号煤工作面均未施工。22201工作面是该矿北二采区2号煤的保护层首采面，工作面走向长度约1538m，倾向长150m。平均倾角4°，平均煤厚1.1m。
2 “三软”较薄煤层开采采动裂隙演化特征分析
为模拟2号煤层回采时的采动裂隙演化规律，回采从模型右边距边界50m处开切眼向左推进，模拟从回采30m开始，分别模拟推进30m、60m、90m、120m、150m五个回采段。采用UDEC数值模拟软件模拟了工作面推进不同距离时的顶底板裂隙情况。
通过模拟结果分析可知，開切眼形成以后，上覆岩层悬露，直接顶受开采而引起的卸载膨胀变形，随着工作面向前推进，在重力作用下岩层发生变形，当工作面到30 m左右时，第Ⅰ亚关键层破断，采空区内部及上方的裂隙开始充分发育，采空区下方的岩层中，裂隙也开始发育并与采空区中的裂隙沟通，形成瓦斯运移的通道。随着工作面的推进，覆岩应力卸压采空区向上、向下发展，距离2煤底板14m的3+4煤层受到采动影响，采空区垂直方向上垂直应力4～8MPa，但卸压范围小，卸压程度比较低。工作面推进到60m时，基本顶发生周期来压，基本顶附近岩层随之发生拉伸破坏，顶板裂隙发育较大，上覆岩层产生垂直、层间裂隙，裂隙贯通，采空区底板发生变形。由围岩应力分布可知，工作面前方和切眼外侧附近煤岩应力集中，应力最大值达到20MPa，应力影响范围约为20m左右，同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域为围岩应力有所恢复。工作面继续推进过程中，直接顶自行冒落，受采动的影响，上位岩层和底板岩层在主应力和剪应力的作用下，不断的发生破坏运动，且离层和垂直裂隙不断的发展，随着工作面的移动向前发育，采空区基本顶垂直方向以上以层间裂隙发育为主，垂直裂隙主要发育范围为基本顶上方25m和煤层底板下方15m。工作面继续推进过程中，岩层呈现周期运动的特征，由裂隙分布可知，在垂直方向上采空区底板底鼓量减少，围岩逐渐被压实，裂隙逐渐消失，覆岩和地板岩层移动和裂隙发育范围趋于稳定。由围岩应力分布可知，3+4号煤层垂直应力值约为4Mpa，为原岩应力值的1/3，卸压程度进一步的增大，同时3+4号煤卸压范范围扩大;推进到150m时，卸压位于采空区中部的覆岩重新趋于压实，位于采空区中部的中组煤铅直应力已基本恢复至原岩应力，但在采空区两侧仍各保持一个卸压区，因而在采空区四周形成一个铅直应力降低区，它与采动裂隙“O”形圈是对应的。
综上分析主要得出以下结论：
（1）在22201保护层工作面回采时，在开切眼和工作面附近出现应力集中现象，工作面前方和切眼外侧附近煤岩应力集中，应力最大值达到20MPa，应力影响范围约为20m左右，同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域为围岩应力有所恢复。
（2）随着22201保护层工作面的开采，下邻近3+4号、5号煤将发生卸压的效果，3+4号煤层垂直应力值约为16MPa，为原岩应力值的1.39倍，5号煤层垂直应力值达12MPa，为原岩应力值的1.07倍，卸压效果明显，而且随着工作面的不断推进，卸压程度将进一步的增大。
（3）随着22201工作面的不断推进，基本顶经历初次来压后将发生周期来压，顶底板裂隙发育充分，上覆岩层产生垂直、层间裂隙，裂隙贯通，垂直裂隙主要发育范围为基本顶上方25m和煤层底板下方15m，形成瓦斯运移的通道。随着采空区中部的覆岩重新趋于压实，位于采空区中部的中组煤铅直应力已基本恢复至原岩应力，但在采空区两侧仍各保持一个卸压区，因而在采空区四周形成一个铅直应力降低区，它与采动裂隙“O”形圈相对应。
3矿压显现规律的数值模拟研究
UDEC能很好地模拟煤层开挖后顶板冒落、垮落、离层的过程，以某煤矿保护层22201回采工作面为现场模型，建立数值模型，模拟“三软”煤层开采过程中覆岩垮落的动态发展过程，得出底板和覆岩破裂移动规律。
3.1 模型的建立及参数的选取
模拟计算以某煤矿北翼2号煤22201工作面及其采动环境为模型。根据某矿生产地质条件，2号煤层倾角平均为4°，工作面沿走向推进，建立工作面推进方向的水平数值计算模型，模型模拟2号煤层厚度1.35m，采高1.6m，其中割底0.25m，下方3+4号煤层厚度4.12m，间距14m，下方5号煤厚度1.6m，与2号煤间距22.1m。 根据煤岩层综合柱状，确定计算模型采用摩尔—库仑模型。建立的数值分析模型如图1，走向模型尺寸为250×65.1m，采用平面应变模型。模拟计算模型边界条件如下：位移边界条件：模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移，下部边界限制y方向的位移。
3.2 模拟的内容及方案设计
模拟的内容围绕模拟的目的进行，本次模拟主要是要看在距离煤层群中2号煤层开采后，随保护层工作面推进，下部煤层煤体应力和变形分布特征，
在工作面推进方向，2号煤层工作面基本顶的初次垮落步距为31m，周期来压步距为14m，为模拟初次来压前后和周期来压期间的裂隙演化和应力、位移变化情况，在走向推进方向设计了以下5种模拟方案：1.工作面的推进距离为30m;2.工作面的推进距离为60m;1.工作面的推进距离为90m;4.工作面的推进距离为120m;5.工作面的推进距离为150m。
4煤层顶板变形和应力的动态演化分析
在坐标为50m处为开切眼，模拟2号煤层工作面推进30m、60m、90m、120m、150m五个阶段的顶板的移动变形和煤层应力规律，顶板观测线设在2号煤层基本顶中部。
（1）上保护层开采过程中顶板围岩移动变形分析
根据图2可以看出，工作面推进30m时，基本顶初次来压，顶板观测线移动量程“V”字形，左右对称，最大下沉量为844mm，随着工作面的推进，采空区越来越大，顶板下沉范围和下沉量越来越大，工作面推进到60m时最大下沉量为958mm，工作面推进到90m时最大下沉量為1037mm，工作面推进到120m时最大下沉量为1052mm，工作面推进到150m时最大下沉量为1070mm。随着工作面的推进，顶板的下沉量程“U”字形向前演化。
2）上保护层开采过程中顶板的应力分析
根据图3可以看出，工作面推进不同距离产生的垂直应力变化规律是大致相同，随着工作面的推进，采空区的范围不断扩大，破坏了原有的应力平衡状态，使围岩的应力状态重新分布。从图中可以看出，开采后顶板应力可以分为三个区域：应力增高区、充分卸压区和应力平缓区。上覆岩层的垂直应力随着工作面的推进逐渐增大，并且在工作面前方和开切眼处纵向应力最大，且推进距离越大应力集中处的峰值也越大。而且工作面前方应力集中随着工作面的推进动态变化的，应力峰值随着工作面的推进不断向前迁移。当工作面推进90m时，工作面位于图中横坐标140m处，应力集中出现在工作面前方12m（横坐标152m）处，工作面前方的支撑影响范围约为35m。当工作面推进120m时，工作面位于图中横坐标170m处，应力集中出现在工作面前方12m处，工作面支撑影响范围约为40m，说明应力集中和支撑影响范围随着工作面的推进有规律的向前推进变化。
5 结论
（1）采用UDEC软件构建了工作面倾斜和走向模型，通过数值模拟分析得出：随着工作面的不断推进，顶底板裂隙发育充分，并有向顶底板煤岩层深部不断发育扩展的趋势，浅部煤岩层主要产生穿层、离层裂隙，裂隙交叉贯通，并与采空区中的裂隙沟通，深部主要产生离层张裂隙，离层和穿层裂隙构成卸压瓦斯运移的通道;在保护层开采过程中，煤岩层的应力是动态变化的，随着工作面的不断推进而不断变化。在工作面前方和切眼外侧附近煤岩层出现应力集中现象，垂直应力达到20MPa，应力影响范围约为20m左右;同时在工作面后方采空区侧和切眼内侧约10m～20m范围应力降低，为卸压区，而采空区中间区域围岩应力趋于恢复稳定。
参考文献
[1]秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010，（4）：85-86.
[2]杨 柳.上保护层开采卸压数值模拟与保护效果考察[J].煤矿安全，2011（7）：129-131.
作者简介：
余长柱（1998.11-），男，汉族，贵州省安顺市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究
项目基金：贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202010977009）
作者单位：贵州六盘水师范学院矿业工程系