薄煤層上保護層無煤柱全面卸壓開采的機理分析

鄧成海 魏中舉 謝小平 張鑫 李松

摘 要：針對薄煤層煤層瓦斯賦存高、低透氣性且煤層具有突出危險性的特點，結(jié)合有關要求，對上保護層無煤柱開采全面卸壓分析，并就上保護層開采下伏巖層裂隙分布特征進行分析。本文根據(jù)現(xiàn)場40403綜采工作面的實際情況，理論計算了上保護層工作面留設區(qū)段煤柱時，下部7號、8號煤層中形成卸壓盲區(qū)的面積，并分析了下伏煤巖層有效卸壓保護范圍。

關鍵詞：薄煤層;上保護層;無煤柱開采;卸壓開采

1 工程概況

某煤礦位于六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)和威寧縣東風鎮(zhèn)境內(nèi)，某煤礦全長約50km;礦區(qū)東到貴陽290km，北至重慶580km，西至昆明450km;該煤礦為平硐+斜井開拓，單水平上下山開采，開采方式為走向長壁后退式，采用綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板，設計生產(chǎn)能力90萬t/a，服務年限79a。某煤礦自投產(chǎn)以來，曾發(fā)生過多次煤與瓦斯突出現(xiàn)象，突出發(fā)生在11#煤層。

井田位于二塘向斜的北東翼淺部，開采煤層為二迭系上統(tǒng)龍?zhí)睹航M。含可采及局部可采煤層6層，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤層，總厚度為5.55～18.48米，一般為11.27米，主要可采煤層為2#、4#、11#，局部可采煤層為7#、8#、9#，煤層平均傾角在7～12°，其余煤層均不可采，或僅個別點達到可采厚度，可采煤層的頂?shù)装寰心噘|(zhì)、砂質(zhì)、粘土質(zhì)等封閉性巖層，巖性極其松軟，透氣性差，為儲存瓦斯創(chuàng)造了有利的條件。

2 上保護層無煤柱開采全面卸壓理論分析

某煤礦屬于高瓦斯低透氣性煤層群開采條件，且煤層具有突出危險性。為提高下部7號、8號、9號、11號煤層預抽瓦斯的效果，實現(xiàn)下部突出危險性煤層的卸壓防突，研究確定采用切頂卸壓爆破預裂一次成巷技術，對4號較薄煤層進行上保護層無煤柱開采。

根據(jù)圖1（a）、（b）分析可知，若上保護層工作面留設區(qū)段煤柱，采空區(qū)下方煤層應力降低，形成卸壓區(qū)域;而區(qū)段煤柱下方煤層應力增高，形成應力集中區(qū)域（即卸壓盲區(qū)），下部煤層在以后開采過程中將增加突出危險性;若采用切頂卸壓爆破預裂一次成巷技術，保護層工作面不留設區(qū)段煤柱，不僅煤柱煤炭資源將被回收，而且原煤柱下部不會出現(xiàn)應力集中，消除了卸壓盲區(qū)，實現(xiàn)下部煤層的全面卸壓，降低了下部煤層的突出危險性。

根據(jù)國內(nèi)外大量保護層開采實踐表明，若被保護煤層要實現(xiàn)卸壓保護，被保護煤層的卸壓膨脹變形必須大于6‰，故卸壓盲區(qū)可定義為[1-4]：保護層開采時，被保護煤層卸壓法向膨脹變形小于6‰的區(qū)域。根據(jù)圖1（a）分析可推導出上部保護層工作面開采留設區(qū)段煤柱時，下部被保護煤層中卸壓盲區(qū)的面積為：

式中：S為下部被保護煤層中卸壓盲區(qū)的面積，m2;δ1為上保護層工作面傾斜方向上的下端卸壓角（如圖1（a）所示）， o;δ2為上保護層工作面傾斜方向上的上端卸壓角（如圖1（a）所示）， o;d為上部保護層工作面留設區(qū)段煤柱的寬度，m;L為上部保護層工作面留設區(qū)段煤柱的長度，m;l為下部被保護煤層與上部保護煤層之間的縱向垂距，m。

某煤礦4號較薄煤層為近水平煤層，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取卸壓角75 o，若40403上保護層工作面留設寬度為20m的區(qū)段煤柱時，則區(qū)段煤柱下部7號煤層中卸壓盲區(qū)的面積計算約為9890.7m2，區(qū)段煤柱下部8號煤層中卸壓盲區(qū)的面積計算約為11899.8m2，區(qū)段煤柱下部11號煤層中卸壓盲區(qū)的面積計算約為19464.1m2。

2 上保護層開采下伏巖層裂隙分布特征

某煤礦上部4號較薄煤層先行開采后，受到上部工作面采動影響的不同程度，在垂直方向上，工作面下伏煤巖層裂隙發(fā)育隨深度的不同而不同，下伏煤巖層裂隙發(fā)育大致可以劃分兩大類：底鼓變形帶和底鼓裂隙帶，如下圖2所示。

根據(jù)塑性破壞區(qū)域剖面圖分析可知，在超前支承壓力的作用下，保護層工作面底板塑性破壞范圍深度的最大值為：

式中：Hmax為工作面底板塑性破壞范圍深度的最大值，m;φ為內(nèi)摩擦角，o;L為超前支承壓力峰值距離工作面端頭的距離，m。

根據(jù)某煤礦現(xiàn)場實際帶入公式（2），計算得4號較薄煤層開采后底板破壞深度約為13.7m。

根據(jù)保護層卸壓范圍計算經(jīng)驗公式，上保護層開采的最大有效卸壓保護垂距：

式中： ? ? ? 為上保護層開采垂直方向的理論卸壓深度，開采急傾斜煤層時， <60m， ? ? ?緩傾斜或傾斜煤層時， ? ? ? <50m;β1為保護層開采的影響系數(shù)，當M≥M0時，β1=1，當M≤M0時，β1=M/M0;M0為上保護層的最小厚度，m;M為上保護工作面煤層的采高，m;β2為層間堅硬巖層所占的比例，用字母η表示，當η<50%時，β2=1，當η≥50%時，β2=1-0.4η/100。

將相關數(shù)據(jù)代入公式（4-3），計算得出某煤礦40403上保護層工作面在垂直方向上的最大有效卸壓范圍約為50m。綜上分析得出：40403上保護層工作面開采后底鼓裂隙帶深度約為13.7m，底鼓變形帶深度約為47.4m。下方7號煤層距離4號煤層8.82m，處于底鼓裂隙帶范圍內(nèi);下方8號煤層距離4號煤層18.2m;處于底鼓變形帶范圍內(nèi);下方11號煤層距離4號煤層53.48m，已超過底鼓變形帶的理論計算深度。所以40403上保護層工作面開采后，初步判別下部7號、8號煤層在垂直方向上處于卸壓保護的有效范圍內(nèi)。

參考文獻：

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[2] 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，（4）：85-86.

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[4] 吳財芳，曾 勇，秦 勇.煤與瓦斯共采技術的研究現(xiàn)狀及其應用發(fā)展[J]. 中國礦業(yè)大學學報，2004，33（2）：137-140.

作者簡介：

鄧成海（1997.09-），男，漢族，貴州省赫章縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學習和研究。

項目編號： 國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：202010977017）

（六盤水師范學院礦業(yè)與土木工程學院 ?貴州省 六盤水市 553004）