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第十章煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。
煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工艺优选等的重要手段；煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。
此外，数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。
第一节煤层气储层模拟技术一、概述煤层气储层模拟（reservoir simulation）又称为产能模拟（coalbed methane production modeling），无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中，通常都需要进行这项工作。
储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程，在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。
储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下，解算描述储层中流体流动的一系列方程，通过历史匹配，对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。
预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。
产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据，同时，还可根据产能参数，对生产井的经济价值进行评价。
随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累，科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解，同时，也意识到需要有一个有效的工具，来进行生产井气、水产量数据的历史拟合，以便获取更为客观的煤层气储层参数，预测煤层气井的长期生产动态和产量。
同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理，煤层气开发方案等提供科学依据。
正是在这种背景下，煤储层数值模拟研究工作，在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时，借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法，扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。
1981年，由美国天然气研究所（GRI）主持，美国钢铁公司（US Steel）和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目（Development of Coal Gas Production Simulators and Mathematical Models for Well Test Strategies）。
《煤层气定向羽状水平井开采数值模拟方法研究》篇一一、引言随着能源需求的增长和传统能源资源的日益枯竭，煤层气作为一种清洁、高效的能源资源，其开采技术及开采效率成为了国内外学者研究的热点。
煤层气定向羽状水平井技术作为一项新兴的开采技术，以其高效、低成本等优点受到了广泛的关注。
然而，煤层气赋存条件的复杂性以及地质环境的多样性使得其开采过程存在诸多不确定性。
因此，对煤层气定向羽状水平井开采进行数值模拟方法的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、煤层气概述煤层气是一种主要存在于煤层中的天然气资源，其成分以甲烷为主。
煤层气的开采对于提高煤炭采出率、减少矿井瓦斯事故、保护环境等方面具有重要意义。
然而，煤层气的赋存条件复杂，且常伴随着煤层渗透性差、储层压力低等问题，使得其开采难度较大。
三、定向羽状水平井技术定向羽状水平井技术是一种新型的煤层气开采技术，其通过在煤层中钻设多条水平分支井眼，形成羽状井网，以提高煤层气的采收率。
该技术具有以下优点：一是能够适应煤层非均质性的特点，提高采收率；二是可以降低开采成本，提高经济效益；三是能够减少对环境的影响。
四、数值模拟方法研究针对煤层气定向羽状水平井开采过程，本文提出了一种基于有限元方法的数值模拟方法。
该方法通过建立煤层气的流动模型、储层模型以及生产模型，对煤层气的流动规律、储层特性以及生产过程进行模拟。
具体步骤如下：1. 建立煤层气的流动模型。
根据煤层气的赋存条件、流动机理以及储层的非均质性等特点，建立煤层气的流动方程。
2. 建立储层模型。
根据地质资料和现场试验数据，确定储层的物理参数（如孔隙度、渗透率等），并建立储层的数值模型。
3. 建立生产模型。
根据定向羽状水平井的生产过程，建立生产模型，包括井眼轨迹、产量预测等。
4. 数值模拟。
利用有限元方法对建立的流动模型、储层模型以及生产模型进行数值模拟，得到煤层气开采过程中的压力分布、流量变化等数据。
5. 结果分析。
根据数值模拟结果，分析煤层气开采过程中的问题及优化措施，为实际开采提供指导。
柳河下多煤层倾斜条带全厚冒落开采摘要:介绍平安堡煤矿柳河下多煤层倾斜条带开采与设计的基本原则,给出地表移动预计结果,总结了多煤层“三下”采煤经验。
关键词:三下采煤倾斜条带全厚冒落平安堡煤矿柳河下开采古生界石炭系6、9号煤层,煤层厚度分别平均为1.52m、1.17m。
6、9号煤层层间距20m。
柳河下煤层埋藏最低深度160m。
1 柳河下开采地质条件1.1 地层从上至下1.1.1 第四系(Q)分布在柳河两岸,岩性为亚粘土和碎石,厚0～10.15m,平均5.68m。
1.1.2 长城系(Ch)岩性为白云质灰岩,层理较明显,含燧石条带,坚硬、微密、块状,局部裂隙发育,为弱含水层。
受F14号逆掩断层作用,白云质灰岩逆掩在煤系地层之上,逆掩断层走向为北-北东,倾向东-南东、倾角18°～23°。
岩层倾向167°,倾角47°。
柳河下白云岩厚26～132m,平均90左右。
1.1.3 石炭——二叠系(C-P)自上而下:茂山组(P12)荒神山组(P14)、喇嘛沟组(C33)、张庄组(C32)、北山组(C31)、马圏子组(C22)、基底组(C21)。
产状:走向北-北东,倾向东-东南,倾角25°～35°,平均30°。
(1)茂山组(P12)。
由灰白、灰绿粉砂岩、含砾砂岩组成,铝土质胶结,顶部含3煤层厚约0.6m,不稳定。
该组厚0～16.37m,平均厚10m左右。
该组岩层胶结松散,易风化成碎块或粉沫,X形节理发育,被方解石脉充填,裂隙发育,厚度小且不稳定,断层切割严重,不隔水,走向北-北东,倾向南-南东,倾角25°～35°,平均30°。
(2)荒神山组(P11)。
下部灰色粉砂岩,中部粘土岩、页岩和煤层,上部中细砂岩、粘土岩和煤层。
水平层理发育,5煤层在中部,局部可采,4煤层在顶部,为本区最厚煤层,厚度7～8m,最厚10余m,结构复杂,为复合煤层,夹矸数层,夹矸0.2～1.0m。
《煤层气数值模拟技术应用研究》篇一一、引言煤层气（Coalbed Gas）是近几十年来受到国内外学者关注的重要资源。
它对于煤田的开发、煤矿安全生产及环保都有重大意义。
煤层气数值模拟技术则是煤层气开发和开采过程的关键手段，具有精准、快速的特点。
本文旨在探讨煤层气数值模拟技术的原理、应用及研究进展，以期为相关领域的研究者提供参考。
二、煤层气数值模拟技术原理煤层气数值模拟技术主要基于流体动力学、热力学、岩石力学等多学科原理，以数学模型为框架，对煤层气的分布、储集和开采过程进行数值分析和预测。
在模拟过程中，通过设定不同的参数和条件，可以模拟出煤层气的生成、运移、聚集和开采等过程。
三、煤层气数值模拟技术的应用煤层气数值模拟技术被广泛应用于煤田地质勘探、煤层气资源评价、矿井瓦斯防治、煤矿安全生产等多个领域。
在煤田地质勘探中，通过数值模拟可以预测煤层气的分布和储量；在煤矿安全生产中，可以利用该技术分析矿井瓦斯的运动规律，提高安全水平。
四、研究进展1. 模型优化：随着研究的深入，学者们不断优化数值模拟模型，使其更加符合实际情况。
例如，通过引入更精确的物理参数和数学公式，使模型更加精准地描述煤层气的生成和运移过程。
2. 多学科融合：煤层气数值模拟技术已不再是单一学科的领域，而是涉及流体动力学、热力学、岩石力学等多个学科的交叉研究。
多学科融合的研究方式使得数值模拟更加准确、全面。
3. 高效算法开发：为了提高模拟的效率和精度，学者们不断开发新的高效算法。
这些算法包括并行计算、自适应网格等技术，可以大大提高模拟的速度和准确性。
4. 实际应用案例：随着技术的发展，煤层气数值模拟技术在许多煤矿和煤田得到了广泛应用。
例如，某大型煤矿通过使用该技术成功预测了瓦斯涌出量，有效防止了瓦斯事故的发生。
五、未来展望未来，煤层气数值模拟技术将进一步发展，具体趋势如下：1. 更加精细化的模型：随着对煤层气生成和运移机理的深入研究，模型将更加精细，能够更准确地描述煤层气的生成和运移过程。
条带煤柱开采动压现象预测与防治技术研究摘要:针对3200采区条带煤柱工作面的开采,分析了条带煤柱面开采动压现象的成因,通过数值模拟和现场实测掌握了矿压的基本参数,进行了条带煤柱面动压影响下围岩变形破坏和能量积聚规律的研究分析。
关键词:条带煤柱开采动压现1 采区概况3200采区对应的地面位置为西大封村,地面以房屋为主,少量为农田,由南向北地势渐高,地面标高+103.3m～+112m。
村内地面较为平坦,低层房屋建筑占多数,多为土木结构平房,部分为砖石结构平房,有少量零星两层建筑。
井下位于-350m水平东大巷以上,南部以F39、F40断层煤柱为边界,东部以技术边界与大封煤矿井田相邻,西部为本井田3300采区东翼已采区。
采区上限标高-140m,下限标高-350m,走向长820m,倾向长500m,面积394150m2,工业储量187.0万吨,可采储量145.2万吨,其中村庄压煤139.4万吨。
采区设计开采山西组3煤层,煤层为一单斜构造,走向近东西、倾向北。
3煤层沉积稳定,全层可采,厚3.2m～3.97m,平均3.5m,倾角14°～22°、平均17°。
煤层视密度1.35t/m3,硬度f=2.5。
直接顶为深灰色粉砂岩,均厚在4.0m左右;基本顶为灰白色中砂岩,均厚在12m左右,坚硬、强度大。
直接底为灰白色粘土岩或粘土质粉砂岩,均厚1.0m,再下为灰至深灰色粉砂岩,均厚3.0m;老底为灰白色中砂岩,均厚12m。
(如图1所示)。
采区内地质构造以小型断层为主。
村庄搬迁前,采用等宽条带开采,采宽40m、留宽40m(如图2所示),采用分层开采的方式进行,先采上分层,采高1.8m。
村庄搬迁后,开采条带煤柱面(即40m留宽煤柱),仍采用分层开采的方式进行,先采上分层,采高1.8m,但条带煤柱面上下两侧均与采空区相邻。
2 动压现象成因分析2.1 开采动压现象成因条带煤柱厚煤层开采上分层时,存在底煤,容易出现底鼓的动压现象。
条带充填法多煤层煤柱群失稳主要影响因素数值模拟研究作者：柳宏儒张文国段立国来源：《城市建设理论研究》2013年第15期摘要：结合托板理论、条带充填采煤、开采沉陷学和岩层控制理论，运用2D-σ数值模拟工具，对条带充填法煤柱稳定性影响因素进行了试验研究。
重点研究了条带充填开采条件下的多煤层煤柱群稳定性问题，揭示了特定地质采矿条件下开采宽度、煤柱宽度和充填宽度对煤柱群稳定性的影响规律。
关键词：条带充填法煤层群托板理论煤柱群稳定性中图分类号：P618.11文献标识码： A 文章编号：我国生产矿井三下压煤量达140亿吨，大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达地区。
因此，大力研究和发展建下煤层的开采技术对合理开发和充分利用地下资源，延长濒临破产的煤炭企业的寿命，促进煤炭企业的可持续发展都具有重大意义。
条带充填开采方法是一种绿色开采方法，在条带开采方法基础上，采用填充体通过在煤柱两侧进行充填加固，以其作为支撑，达到回收条带煤柱并控制开采引起的上覆岩层的破坏和变形的目的。
1.托板理论判别覆岩托板位置→估算覆岩托板等效垮距→设计条带宽度、煤柱宽度和充填条带宽度→设计充填强度验算充填条带稳定性→预计条带充填开采的地表沉陷。
可以得到托板的等效垮距为：2.煤柱群理论条带充填开采煤柱群和围岩是相互作用的，因而必须进行“煤柱群－围岩”整体力学计算，提供保证系统可靠性的数据。
1、多煤层条采的岩层移动变形规律基本上和全采相同，但位于条采煤层上方一定高度内的岩层呈波浪下沉状，波浪发育高度与条采的开采长度和煤柱长度以及岩性等有关，波浪的发育高度对条带采长的确定起决定性作用。
2、当上下两煤层层间距大于下煤层采厚的25倍，并大于条带开采长度的2倍时，可认为上下煤层条采相互不影响。
3、近距离煤层条带煤柱错位是十分不利的，要使上下煤层煤柱对齐，更好的方法是按岩层断裂角使上下煤层煤柱斜向对齐。
4、煤柱的垂直应力随采深的增大而增大，煤柱的应力分布与条采尺寸、上下层煤柱相互关系等有关。
近距离煤层上层煤条带煤柱垂直应力数值模拟研究张永钢【摘要】条带作为一种特殊开采方式，在对压煤进行回收作业的矿区常被使用，但是其煤柱的宽度与回采宽度的留设对地面有直接影响，一直是研究重点。
文章以某矿近距离两煤层为研究对象，对上覆煤层条采煤柱宽度的留设进行 UDEC 数值模拟研究，确定煤柱宽度的留设在垂直方向上的应力影响，从而确定煤柱的留设是否合理，结果表明，结合该矿现场地质条件，确定采40 m，留设30 m 煤柱比较合理。
%Strip mining as a special way,in the coal mining area is often used for recycling operations,but the width of coal pillar and mining width design has a direct influence on the ground,has been a research focus. Articles to close two a mine coal seam as the re﹣search object,the overlying coal seam of coal pillar width on state of numerical simulations of the design,research,determine the width of coal pillar left in the vertical direction stress effect,to determine whether the design of coal pillar is reasonable,the results showed that the combined with the mine site geological conditions,determine the 40 m,30 m more reasonable coal pillar design.【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】3页(P8-9,31)【关键词】近距离煤层;垂直应力;数值模拟【作者】张永钢【作者单位】山西汾西矿业集团河东煤矿，山西灵石 031302【正文语种】中文【中图分类】TD325某矿区内村庄密集，分布有庄里、东里彦等20个村庄。
多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究张志祥;张永波;赵志怀;张利民【摘要】以离石-军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究.相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈.研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据.%Taking geological conditions of Kangjiagou coal mine under Lishi-Jundu freeway as a prototype, similar material simulation was carried out for examining the behavior of overlying rock movement and surface deformation with multi-coal seam mining. The results show that under the condition of multi-coal seam mining, with the increase of total thickness of coal seam, the overlying rock subsidence of three zones of gob and surface subsidence, surface lean deformation, surface level movement, surface curvature deformation all show an increasing tendency, the overlying rock of gob is more broken, the surface deformation is more intense. The results provide the basis for the treatment design of gob with multi-coal seam under freeway.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2011(038)004【总页数】5页(P130-134)【关键词】多煤层开采;覆岩;相似模拟;采空区;变形【作者】张志祥;张永波;赵志怀;张利民【作者单位】太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;山西省交通设计研究院,太原,030012【正文语种】中文【中图分类】TD325.+2煤炭开采过程中产生的一系列覆岩移动及地表变形规律，受到了学者们的高度重视，如刘秀英等［1］采用相似模拟实验研究了辛置煤矿2204工作面采空区覆岩的移动规律;刘瑾等［2］进行了采深和松散层厚度对开采沉陷地表移动变形影响的数值模拟研究;孙光中等［3］采用数值模拟和相似材料模拟对巨厚煤层开采覆岩运动规律进行了研究。
1.煤层气藏开发生产特点煤层气藏开发一个最显著的特点是需要进行前期脱水降低煤层压力。
煤层气吸附在煤基质孔隙表面，只有当煤层压力低于临界解析压力，煤层气才会从煤层基质孔隙解析出来扩散到煤层裂缝。
脱水时间长短取决于煤层气饱和度。
煤层气饱和度定义为某压力下煤层气含量与该压力下煤层气吸附能力的比值。
饱和度为1的煤层气藏称为饱和气藏，饱和气藏煤层气随着煤层脱水而产出。
饱和度小于1的煤层气藏称为欠饱和气藏，欠饱和气藏需要经过长期脱水后才开始产气。
在我现在工作的煤层气藏，有些井脱水十几天后就开始产气，单井高峰日产气量能达到三万方以上。
有些井则需要一年甚至几年的脱水后才产气。
不同煤层气田以及同一煤层气田不同生产井的生产动态可能差别很大，煤层气田典型生产井产量可以分为三个阶段，第一阶段井只产水，不产气。
第二阶段井开始产气，一直到气量达到最高值，产水量逐渐下降。
第三阶段产气量和产水量一起下降。
由于煤层地质属性的不同，井的生产动态会变化很大。
比如有些低渗井产气量从开始就递减，而且递减缓慢。
有些井只生产干气，不产水。
煤层气井的生产动态主要受煤层含气量，煤层含气饱和度，煤层渗透率，相对渗透率，孔隙度等的影响。
煤层气是以吸附状态吸附在煤基质孔隙中，吸附量与煤的类型，煤灰含量，煤湿度以及煤层压力有关，在相同温度，煤灰含量和湿度条件下，压力越大，煤吸附的气量越多。
常规砂岩气藏中的气体储藏在砂岩孔隙中，在相同压力条件下，煤层储气量要大于砂岩储气量。
煤层气吸附能力与压力的关系曲线称为解析等温线。
每个压力点对应该压力下煤的最大吸附量，也称为饱和吸附量。
许多煤层吸附气处于未饱和状态，也就是说在初始压力条件煤的实际吸附气量小于该压力下的饱和吸附气量，煤层在生产时只产水，不产气。
只有当压力降到临界解析压力，气才会从煤基质中解析出来，煤层才开始产气。
（临界解析压力为煤的气吸附量与煤吸附能力相同时对应的压力）。
开发煤层气田需要将井的井底压力快速降低到最低值，这样才能快速降低地层压力，缩短脱水时间，提高产气量。
煤炭资源开采区段煤柱尺寸数值模拟研究煤炭资源开采一直是我国能源领域的重要议题之一，而煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究则是研究煤炭开采过程中所涉及的关键问题之一。
煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究涉及到煤炭开采过程中对煤柱尺寸的调控和优化，对于提高煤炭开采效率、保证矿山安全具有重要意义。
本文将从煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究的背景、意义、研究方法和技术难点等方面进行详细阐述。
一、研究背景二、研究意义1. 提高煤炭开采效率煤柱是煤炭开采过程中的重要参数之一，煤炭的开采效率直接受到煤柱尺寸的影响。
通过煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究，可以对煤柱尺寸进行优化调控，提高煤炭开采的效率。
2. 保证矿山安全煤炭开采过程中，煤柱尺寸的合理控制可以有效预防煤矿塌陷事故，保障矿工的安全。
3. 降低煤炭资源浪费煤炭开采过程中，过大的煤柱将导致大量煤炭资源的浪费，而通过研究煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟，可以使得煤炭开采更加节约资源。
以上这些意义表明了煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究的重要性和必要性。
三、研究方法1. 数值模拟数值模拟是研究煤炭开采区段煤柱尺寸的核心方法之一。
通过建立煤炭开采区段的地质模型、工程力学模型，对煤矿开采过程中受力情况进行分析，得出煤柱尺寸的合理范围。
2. 实地调查实地调查是研究煤炭开采区段煤柱尺寸的重要手段之一。
通过实地调查，可以了解煤炭开采区段的地质情况、煤层厚度、工程地质条件等重要参数，为数值模拟提供关键数据支撑。
四、技术难点1. 地质模型建立煤炭开采区段的地质条件复杂多变，建立准确的地质模型是研究煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟的难点之一。
2. 工程力学参数确定工程力学参数的确定直接影响到数值模拟的准确性和可靠性，是研究煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟中的技术难点之一。
五、结论通过煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究，可以为煤炭开采提高效率、保证矿山安全、降低资源浪费提供技术支持。
煤炭开采区段煤柱尺寸数值模拟研究面临诸多技术难点，需要进一步加强研究工作，克服技术难题。
陕北典型地质条件下煤炭开采方法的数值模拟研究张泽【摘要】针对我国西部地区水资源匮乏、生态环境脆弱的现状,基于厚松散表土层及浅埋煤层这一陕北典型地质条件,运用有限元数值软件FLAC3D,分析了凉水井煤矿4-2煤层条带开采及长壁开采的覆岩运移和应力演化特征.研究表明:条带开采中,采空区的应力分布状态呈现出周期性的拱形分布,覆岩存在多个窄条带煤柱进行支承,各支承点的应力分布与长壁开采要小很多,其最大垂向应力在6.48～8.5 MPa之间,仅仅为长壁开采的32.4％～40.1％;走向长壁的地表下沉量是条带开采最大下沉量的6.428倍;通过对采12 m留8m、采10 m留10 m、采20 m留10m3种不同条带开采参数方式下的经济、安全及环保因素比对,凉水井煤矿运用采12 m 留8 m的条带开采参数最为合适,为凉水井煤矿及类似矿井开展绿色可持续开采提供借鉴.【期刊名称】《陕西煤炭》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P6-11)【关键词】浅埋煤层;厚表土松散层;数值模拟;对比分析【作者】张泽【作者单位】陕西汇森煤业开发有限责任公司,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TD3230 引言煤炭作为我国工业发展的支柱，在过去的几十年中，产量是其行业发展的主要衡量指标。
然而，以产量定输赢的粗放型开采模式造成了众多环境及安全问题。
当前，随着社会的进步，如何实现煤炭的绿色高效开采对于我国国民经济的发展至关重要[1-2]。
走向长壁开采作为近年来我国各大矿井最常应用的开采方法，能够最大化地提升煤炭产量是其主要优势，但是由于其开采方法近似是将地层中的煤炭进行整层剥离，由此导致的地表沉陷、地下水断流及地表植被匮竭业已成为绿色开采的桎梏所在[3-4]。
在国家既需要煤炭又需要煤炭开采不破坏环境的大前提下，采用对环境破坏程度较小的条带式采煤方法成为一种可行方式，而条带采煤方法中煤柱的稳定性是学者们研究的重点。
多煤层条带开采的数值模拟研究张俊英X(煤炭科学研究总院唐山分院,河北唐山市,063012)摘要应用非线性有限元法,对条带开采不同层间距的3层煤进行了数值模拟研究,揭示了多煤层条带开采的岩层移动变形规律和岩层内波浪沉降发育规律,及其与层间距、条采尺寸、采出率的相互关系,提出了多煤层条带开采的煤柱留设方法及有限元法煤柱稳定性的评定标准,为工程实践提供了一种理论依据。
关键词多煤层条带开采有限元数值模似Numerical Simulation on the Strip Mining of Multiple SeamsZhang Junying(Tangshan Branch of General Institute of Coal Science Research,Tangshan City,Hebei Province,063012)Abstract Nonlinear finite element method was used for the numerical simulation of the strip mining of three seams with different seam distances.The study results revealed the strata dis-placement or deformation rules and the development rule of wave subsidence in strata during strip mining multi-seams,and their interrelationship with seam distance,strip mining size and e xtraction rate.The author puts forward a method of remaining c oal pillar for strip mining multi -seams and the evaluation standard of coal pillar stability by finite element method,so as to provide a theoretical basis for engineering prac tice.Key Words Multiple seams,strip mining,Finite element method,Numerical simulation煤层条带开采法是保护矿区地面建(构)筑物的一种有效开采方法,近年来,多煤层条带开采的应用也逐年增多,然而对多煤层条带开采的理论研究仍较少。
本文结合实例,对多煤层条带开采进行非线性有限元模拟研究,以揭示其规律。
1模型建立攀枝花矿务局太平煤矿南一采区,采用倾斜条带开采3层煤,根据其基本条件所建立的3层煤条采的有限元平面计算模型见图1,煤层厚度均为2m,1#与2#煤层间距60m,2#与3#煤层间距10m,地表有10m 厚的表土层,岩层均为中硬的粉砂岩。
由于采区开采沿走向对称,仅模拟走向长度的一半。
地表为自由边界;底板节点竖向位移固定,水平方向自由;模型左右边界水平方向固定,竖直方向自由。
共划分3358个节点、3240个单元,采用非线性Super SAP有限元程序进行分析,材料破坏为Drucker-Prager 屈服条件模式。
按平面应变问题求解。
材料参数见附表。
第19卷第5期1999年10月矿业研究与开发MINING R&DVol.19No.5Oct.1999X作者:高级工程师;收稿日期:1999-05-20图1 多煤层条采的有限元平面模型附表 计算模型参数表岩性容重C (kN/m 3)弹模E (MPa)泊松比L 粘结力C (MPa)内摩擦角U (b )表土21500.350.3525岩层2410000.2 3.045顶底板岩层245000.2 2.035煤柱132500.28 1.035空单元0.10.010.210552 模拟结果分析2.1 3层煤条采图2、图3绘出了3层煤全部条采后地表及岩层内部各深度处的下沉曲线和各煤层处及岩层内垂直应力分布曲线。
条采尺寸均为采20m 留20m,开采区长度为170m 。
从图2中可以看出:位于煤层上一定距离内的岩层呈波浪下沉状,波浪状下沉带的上方至地表下沉呈单一均匀状,与全采相类似,岩层内的下沉要大于地表的下沉。
从图3中可以看出:条带煤柱的两边出现峰值应力,煤柱的中间应力要小一些,位于采区中央(模型的左边界)的煤柱应力要大于靠近边界的煤柱应力,边界煤柱至右边界处的应力趋于均匀;位于2个煤层间的岩层中应力受条带开采影响产生波浪状,至右边界处也趋于均匀。
图2 3层煤全部条采后地表及岩层内不同深度处的下沉曲线图3 3层煤全部条采后各煤层处及岩层内垂直应力分布2.2 不同采深变采宽及不同煤柱宽度的条采分析对位于不同深度的1#、2#、3#煤层分别5第5期 张俊英 多煤层条带开采的数值模拟研究取相同采出率(50%)的不同开采宽度,及相同开采宽度(20m)而不同煤柱宽度等若干模型进行了条采计算,结果见图4。
在采出率50%不变的条件下,随开采宽度的增加,地表最大下沉量、岩层内波浪下沉发育高度均成正比增大,而与开采深度关系不明显;在开采宽度20m 不变的条件下,随煤柱宽度的增加即采出率降低,下沉明显减小,波浪发育高度增大;煤柱平均应力和峰值应力均随煤柱宽度的加大而减小。
图4 不同采宽(采出率不变)和不同煤柱宽度(采宽不变)的条采分析波浪状下沉在覆岩中的传播高度不仅与开采条带的宽度有关,而且也与条带煤柱的宽度有关,还与岩层硬度等条件有关。
波浪的发育高度是直接影响条带采宽确定的重要因素。
煤层条采后,不仅上覆岩层内有波浪下沉,而且煤层下方一定高度内的底板也产生小量的波浪起伏,计算发现向下的波浪发育高度要大于向上的波浪发育高度,这在多煤层条采中要引起注意,即下煤层的条带开采向上波浪发育高度不要波及上煤层,上煤层条采的向下波浪发育高度也不要波及下煤层,这样上下两煤层条采才不相互影响。
分析图4b,1#和2#煤层各自采20m 留20m,相互不影响,但1#煤层采30m 留30m 时即已影响到2#煤层;2#和3#煤层由于层间距小,即使采20m 留20m 也相互影响。
2.3 多煤层煤柱对齐、不对齐条采的分析煤柱对齐指上下煤层所留煤柱完全对齐,不对齐指上下煤层所留煤柱完全错开(即上煤层煤柱与下煤层开采条带对应),按63b 对齐指2#煤层采20m 留20m,而3#煤层采10m 留30m,其余条采尺寸均为采20m 留20m 。
对层间距不同的2层煤煤柱对齐与不对齐条采、各煤层单独条采、3层煤全条采(上下全对齐)的模型进行了计算。
通过对计算结果的分析和比较,得出如下的主要结论。
(1)1#与2#煤层,由于层间距为60m,无论上下煤层条带煤柱对齐与否,所产生的地表沉降都相差不大,煤柱的平均应力和峰值应力也变化不大,因此当层间距足够大时,可不考虑上下煤层条带开采的煤柱对齐问题,即可认为上下两煤层的条带开采相互不影响,当然这是建立在采20m 留20m 的条采尺寸前提下。
正如前面波浪发育高度中所分析的,当上煤层条带开采宽度为30m,或下煤层条带开采宽度为50m 时,虽然1#与2#煤层层间距为60m,上下煤层的条采仍然是相互影响的。
因此两煤层是否相互影响,不仅取决于层间距,而且与上下煤层的条带开采尺寸有关。
结合采空区垮落带的发育情况,一般当两煤层层间距大于下煤层采厚的25倍,并大于条带开采宽度的2倍时,可认为上下煤层的条带开采相互不影响。
(2)2#与3#煤层,由于层间距仅为10m,相同采出率(50%)的条件下,煤柱上下不对齐与对齐相比,下沉量增加88%,而煤柱的垂直平均应力要降低8.2%~9.0%,峰值应力要升高32.1%~31.4%。
实际上,当6矿业研究与开发 第19卷上下煤层层间距较小,煤柱又完全不对齐时,上煤层条带煤柱位于下煤层的采空区之上,甚至可能处在垮落带破坏范围内,煤柱会遭破坏,起不了煤柱应起的作用,地表沉降量可能比计算值还要大,因此近距离煤层条带煤柱错位是十分不利的。
(3)层间距小的2#和3#煤层条采,与层间距大的1#和2#煤层条采相比,即使在煤柱全对齐条件下,下沉仍增大10%左右,说明在近距离煤层条带开采时,即使煤柱完全对齐,相互影响也是不可避免的。
此种情况下,上煤层条带煤柱仍会受到下煤层开采的影响,稳定性会适当降低,只要煤柱有足够的宽度,条带开采还是可行的。
当然近距离煤层条采的煤柱最好按上煤层窄下煤层宽的原则留设,在下煤层采出率偏低的条件下,可明显降低地表沉降量,又可确保上下煤层的煤柱有足够的稳定性,一般地,上下煤层煤柱对齐可按岩层断裂角留设。
2.4条采煤柱稳定性分析条采后煤柱的应力一般在煤柱两边单元出现峰值,在煤柱中间单元要小些,煤柱的应力随条采尺寸的变化而变化,还受上下煤层煤柱的相互位置等影响。
煤柱的平均应力约为原岩应力(C H,H为上覆岩层厚度)的1.3 ~2.0倍,与按A.H威尔逊理论计算的煤柱应力相差不大,但威尔逊理论仅能考虑计算煤柱的单独受力状态,不能考虑相邻煤柱、上下煤层的相互应力影响,因此有限元计算的应力更能反映实际受力状况。
有限元计算的煤柱峰值应力约为原岩应力(C H)的2.0~ 2.9倍,与按A.H威尔逊理论计算的煤柱峰值应力(约为4C H)有一定差别。
有必要指出,有限元计算的煤柱峰值应力位于煤柱的边界单元的中心点,距边界2.5m,而屈服带宽度约为0.005H,小于2.5m,因此正常的应力峰值应出现在边界至2.5m的范围内,且实际峰值要比计算得出的峰值大1.2~1.4倍,与4C H较接近。
威尔逊理论认为煤柱由核区和屈服区组成,已破坏的屈服区包围核区并对核区形成约束,中部核区处于三轴受力状态。
煤柱的屈服应力约为4C H,当核区内部应力均达到4C H时,煤柱失稳。
威尔逊理论验算煤柱的稳定性是用煤柱的极限承载能力(或极限应力)与煤柱的实际承载能力(或实际应力)的比值来判断,当该比值大于1.0时即可认为煤柱稳定(当比值大于1.2时煤柱稳定性较好,大于2.0时煤柱偏大)。
有限元理论分析的结果表明,一般当平均应力小于原岩应力的2倍,或平均应力大于原岩应力的2倍,而峰值应力与平均应力之比大于1.1时,均可认为煤柱是稳定的。
3结论(1)多煤层条采的岩层移动变形规律基本上和全采相同,但位于条采煤层上方一定高度内的岩层呈波浪下沉状,波浪发育高度与条采的开采宽度和煤柱宽度以及岩性等有关,波浪的发育高度对条带采宽的确定起决定性作用。
(2)当上下两煤层层间距大于下煤层采厚的25倍,并大于条带开采宽度的2倍时,可认为上下煤层条采相互不影响。
