薄煤層保護層開采卸壓效果的數值模擬分析

宋義華 謝小平 管育春 張權坤

摘 要：針對貴州高瓦斯煤層群安全高效開采的問題，據此盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面為現場依據，選擇采用數值模擬軟件UDEC4.0來進行試驗，模擬煤層群在近距離條件下較薄煤層開采上保護層過程中煤層的頂底板在煤巖層的破裂情況和移動規律，以及在隨著薄煤層上保護層開采工作面的推進，煤層下部的被保護煤層產生的位移變形和應力變化的分布特征，進而分析留煤柱和無煤柱開采時下覆煤巖層的卸壓效果。

關鍵詞：薄煤層;無煤柱開采;卸壓效果;數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.088

1 工程概況

以設計生產能力為90萬t/年的貴州盛遠煤礦為例，貴州盛遠煤礦位于六盤水市鐘山區大灣鎮，礦井的服務年限為79年。2號、4號、7號、8號、9號、11號煤層，這6層為可采及局部可采煤層。對貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層的40403工作面情況進行模擬試驗，工作面以400米為平均走向長度，118米為平均傾斜長度。主要開采盛遠煤礦4號較薄煤層，4號煤層的傾角在7°到11°之間，平均煤傾角在9°左右，為近水平煤層，，4號煤層的厚度在1.07米到2.47米之間， 平均煤厚在1.66米左右，容重為1.5t/m3，產狀比較穩定，所受斷層的影響較小。4號煤層頂板則是以灰色泥巖或者以深灰色砂質泥巖為主的巖層，頂板的厚度約在0.25米到12.78米之間，一般平均在4.62米左右;底板則主要為灰色砂質泥巖或細砂巖，厚度在0到11.8米之間，一般平均在5.22米左右。

2 保護層開采卸壓效果數值模擬分析

2.1 模型建立

模型建立采用UDEC4.0數值模擬軟件來進行，盛遠煤礦4號煤層為現場地質條件，以盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面沿傾斜方向的剖面為原型來進行模擬開挖試驗，以此來建立煤巖層在縱向剖面上的數值模擬計算模型。工作面傾向模型長度是400米、寬度是100米，4號煤層平均厚度為1.07 米，平均煤層傾角9°，采高1.66米，直接頂平均厚度4.62 米，老頂平均厚度13.47 米，埋深340 米左右，對其施加8.1MPa的上覆巖層的自重載荷。

2.2 數值模擬方案設計

此次數值模擬計算模型的目的就是對比分析貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面在開采時，在留設不同寬度的區段煤柱和不留設區段煤柱這兩種情況下，根據上保護層工作面下部煤巖層所受的垂直位移變形規律和垂直應力變化規律的影響，從而推導得出留設寬度不同的區段煤柱和不留設區段煤柱開采時，盛遠煤礦4號煤層下部煤巖層的不同卸壓效果。故而設計出三種模擬方案：（1）在工作面開采時不留設區段煤柱;（2）在工作面開采時留設20米寬的區段煤柱;（3）在工作面開采時留設30米寬的區段煤柱。

2.3 卸壓效果分析

上保護層工作面下部煤層所受垂直位移變形情況（圖1所示）和垂直應力變化情況（圖2所示）。

數值模擬結果分析如下：

（1）下部煤層位移變形分析。當在上保護層工作面開采不留設煤柱的情況時，在工作面原來留設煤柱位置下方的7號、8號被保護層就發生了在縱向的膨脹變形，進而在工作面下部的7號、8號煤層最大縱向的膨脹變形率在2.03‰～2.13‰之間;而留設寬度20米的區段煤柱和30米的區段煤柱時，煤柱下方的7號、8號煤層的最大壓縮變形率約在5.82‰～7.78‰ 之間。

（2）下被保護層應力變化分析。根據數值模擬出的結果可以看出，當在上保護層工作面開采過程中留設寬度30米的區段煤柱時，在工作面留設煤柱下方的7號、8號煤層垂直應力分別為11.7MP、11.57MP，大約是原巖應力的1.44倍左右和1.43倍左右;則在開采時不留設區段煤柱，工作面原來留設煤柱位置下方的7號、8號煤層垂直應力分別為-2.94MP和-3.12MP，即貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面在原來留設煤柱位置下方的7號、8號煤層消除了應力集中區，實現了貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層工作面下部的7號、8號煤層全面卸壓，降低了下部煤層的突出危險性。

參考文獻：

[1]秦子晗，潘俊鋒，任勇.薄煤層作為保護層開采的卸壓機理[J].煤礦開采，2010（04）：85-86.

[2]楊柳.上保護層開采卸壓數值模擬與保護效果考察[J].煤礦安全，2011（07）：129-131.

[3]王金安，王樹仁，馮錦艷等.巖土工程數值計算方法實用教程[M].福建：科學出版社，2010.

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作者簡介：宋義華（1995-），男，貴州正安人，本科，研究方向：采礦工程。

*為通訊作者