基于UDEC 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的保護(hù)層無煤柱全面卸壓開采分析

謝小平，劉曉寧，梁敏富

（1.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.山西煤礦安全培訓(xùn)中心，山西 太原 030006；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年，國內(nèi)外大量工程技術(shù)人員和科研工作者致力于極薄、薄煤層的開采[1-7]，且研究成果[8-9]大多針對極薄、薄煤層無煤柱開采巷道支護(hù)、保護(hù)層開采覆巖裂隙、應(yīng)力場以及卸壓效果提出理論方法和技術(shù)措施，但對于采用極薄、薄煤層半煤巖工作面保護(hù)層無煤柱開采技術(shù)來解決極薄、薄煤層煤炭資源開采和煤層群全面卸壓防突相結(jié)合的研究較少。極薄、薄煤層保護(hù)層開采時，遺留煤柱下方被保護(hù)層中未卸壓的范圍內(nèi)將出現(xiàn)煤體壓縮、集中應(yīng)力、瓦斯含量和壓力增大[10-14]，致使后期被保護(hù)層在開采卸壓盲區(qū)范圍區(qū)段煤層時安全隱患增大。為此以典型高突低透氣性煤層群開采礦井為實(shí)驗(yàn)背景，通過采用UDEC 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對極薄、薄煤層保護(hù)層工作面開采高度、區(qū)段煤柱寬度與卸壓效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)下部高瓦斯低透氣性被保護(hù)煤層群的全面卸壓增透提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

沙曲煤礦隸屬山西省華晉焦煤公司，礦區(qū)距離縣城約5 km。井田面積約135 km2，走向長度和傾斜寬度分別為22 km 和4.5～8 km。井田煤質(zhì)主要為焦煤，含煤系數(shù) 12.4%，可采煤炭儲量為 1 275.74 Mt，技術(shù)改造后礦井年產(chǎn)為5.0 Mt。礦井可采和局部可采煤層共9 層，設(shè)計山西煤層組和太原煤層組2 個開拓水平，煤層可采總厚15.4 m 左右。礦井瓦斯鑒定報告顯示，沙曲煤礦屬于低透高突危險性礦井，煤層透氣性系數(shù)1.78～3.785 m2/（MPa2·d），相對和絕對涌出瓦斯量分別為 103.75 m3/t 和 479.91 m3/min。礦井北翼山西組 2#、3＋4#、5#煤層群最上部 2 號煤層原始含量較低，約為 10.65 m3/t，水平標(biāo)高約＋400 m，將其作為首采煤層先行卸壓開采，保障下部3＋4#、5#高瓦斯厚煤層的安全開采。

1.2 工作面概況

沙曲煤礦北翼2#薄煤層上保護(hù)層22201 工作面采用巷旁充填沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，現(xiàn)場設(shè)計22201 機(jī)軌合一巷為沿空留巷，通過巷旁充填技術(shù)對巷道進(jìn)行維護(hù)保留，作為下一個工作面的進(jìn)風(fēng)巷道，沿空留巷設(shè)計寬度為4.6 m，巷旁充填墻設(shè)計寬度2 m，22201 工作面沿空留巷布置示意圖如圖1。采用人工柔模方式充填沿空留巷，在工作面端頭液壓支護(hù)每前進(jìn)1 個步距，緊跟端頭支架后方采用木點(diǎn)柱或單體液壓支柱對柔模袋兩側(cè)進(jìn)行支護(hù)；在工作面端頭液壓支護(hù)每前進(jìn)4 個步距，柔模袋外側(cè)布置鋼筋并掛設(shè)柔模袋，最后進(jìn)行巷旁墻體充填工作。采用高強(qiáng)度布雙層縫制柔性模板，其形狀為矩形，長度為 2.4 m、寬度為 2.0 m、高度為 1.6 m。為滿足巷旁充填墻體埋管抽采采空區(qū)瓦斯設(shè)計的要求，在布置3 個普通柔模袋之后，需布置1 個安裝了瓦斯抽采管的柔模袋，瓦斯抽采管的直徑為220 mm。

圖1 22201 工作面沿空留巷布置示意圖Fig.1 Layout of gob-side entry retaining of 22201 working face

沿空留巷巷旁充填的工藝流程為：移端頭液壓支架、清理、立模支護(hù)、布置柔模袋、攪拌輸送、充填清洗、拆模。留巷充填材料的基本組分為：水泥、砂石骨料、粉煤灰、復(fù)合外劑和水，水泥、石子、黃沙、粉煤灰的質(zhì)量配比為 650～700∶500～700∶500～700∶350～450，其中外加劑添加量為總量的 1.5%～5%。

2 半煤巖上保護(hù)層開采數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

以沙曲礦北翼山西組煤層群作為模擬實(shí)驗(yàn)背景原型，為分析保護(hù)層開采頂?shù)装迕簬r層變形和應(yīng)力變化特征，此次實(shí)驗(yàn)研究選用UDEC4.0 離散元數(shù)值模擬軟件[15-18]。根據(jù)現(xiàn)場22201 半煤巖工作面保護(hù)層傾斜剖面的綜合柱狀圖，構(gòu)建煤巖層傾斜數(shù)值模型，數(shù)值模擬傾斜力學(xué)模型如圖2。設(shè)計模型長度為400 m、高度為80 m，模擬中2#煤層傾角平均為4°，通過截割煤層底板軟弱巖層增加開采厚度至1.5 m，其下方 3＋4#、5#煤層分別在垂距 17.2、25.5 m 處，煤厚分別為 4.02、3.42 m。數(shù)值模擬中半煤巖上保護(hù)層工作面埋深約500 m，即模型上部施加12.5 MPa的上覆巖層自重載荷。構(gòu)建模型水平兩端邊界以活動鉸支約束，模型上端邊界無約束、底端邊界以固定鉸支約束。煤巖力學(xué)參數(shù)見表1，煤巖節(jié)理力學(xué)參數(shù)見表2。

為了分析2#薄煤層傾斜方向留煤柱和不留煤柱開采時的下部煤層的應(yīng)力和變形特征，進(jìn)而分析半煤巖保護(hù)層無煤柱開采時下部煤層群的卸壓效果，據(jù)此數(shù)值模擬設(shè)計了以下模擬方案：保護(hù)層煤柱寬度分別為 0、20、30、40 m。

圖2 數(shù)值模擬傾斜力學(xué)模型Fig.2 The tilt mechanics model of numerical simulation

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

表2 煤巖節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal and rock joints

2.2 保護(hù)層不同煤柱寬度模擬分析

在數(shù)值模型中的3+4#煤層中布置觀測線，通過觀測3+4#煤層的變形與應(yīng)力變化，對比上保護(hù)層開采不留煤柱和留設(shè)煤柱時下方被保護(hù)煤層的卸壓效果。22201 工作面采高1.5 m（含割底）時，在模型左側(cè)水平坐標(biāo)40 m 處進(jìn)行開挖，沿煤層傾斜方向連續(xù)開采2 個工作面長度150 m 后，保護(hù)層留設(shè)區(qū)段煤柱寬度分別為 0、20、30、40 m 時，不同煤柱寬度3+4#被保護(hù)層膨脹變形率變化曲線如圖3。

圖3 不同煤柱寬度3+4#被保護(hù)層膨脹變形率變化曲線Fig.3 Curves of expansion deformation rate of 3+4# protected layer at different width of coal pillar

由圖3 分析可知，當(dāng)保護(hù)層煤柱寬度分別為0、20、30、40 m 時，遺留煤柱下方3+4#煤層卸壓盲區(qū)（膨脹率小于3‰范圍）的傾向?qū)挾确謩e為0、44.2、52.2、64.3 m，即遺留煤柱下方被保護(hù)煤層中卸壓盲區(qū)范圍與煤柱寬度大致呈現(xiàn)線性增長趨勢。當(dāng)保護(hù)層無煤柱（寬度0 m）開采時，原煤柱下方被保護(hù)層中未卸壓的區(qū)域消失。

通過建立直角坐標(biāo)系，以不同煤柱寬度的4 種模擬方案對應(yīng)被保護(hù)層卸壓盲區(qū)寬度作4 個坐標(biāo)點(diǎn)，再作4 個坐標(biāo)點(diǎn)的擬合直線，保護(hù)層煤柱寬度與被保護(hù)層卸壓盲區(qū)寬度之間關(guān)系如圖4。分析得出：被保護(hù)煤層卸壓盲區(qū)寬度隨著保護(hù)層煤柱寬度的增加而增加，大致符合擬合直線的線性增長規(guī)律。

圖4 保護(hù)層煤柱寬度與被保護(hù)層卸壓盲區(qū)寬度之間關(guān)系Fig.4 The relationship between the width of coal pillar of protective layer and the width of blind area of pressure relief of protective layer

保護(hù)層不同煤柱寬度對應(yīng)垂直應(yīng)力分布云圖如圖5。由圖5 分析可知，當(dāng)22201 和22202 工作面之間留設(shè)區(qū)段煤柱時，在遺留煤柱下方煤巖層中將出現(xiàn)應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍與煤柱寬度呈現(xiàn)線性增長趨勢；當(dāng)煤柱寬度為0 m 時，在原留設(shè)煤柱位置的下方被保護(hù)層中不發(fā)生垂直應(yīng)力集中。根據(jù)數(shù)值模擬設(shè)計的4 種模擬方案，當(dāng)煤柱寬度分別為40、30、20、0 m 時，煤柱下方 3+4#、5#煤層垂直應(yīng)力的峰值分別為21、19、15、13 MPa，分別為原巖應(yīng)力的 1.59、1.44、1.14、0.98 倍，即無煤柱開采時在原煤柱下方的被保護(hù)層消除了未卸壓的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了下部煤層群的全面卸壓。

3 結(jié) 論

1）針對典型低透高突煤層群開采的礦井，煤層群中不具備常規(guī)煤層（煤層厚度大于0.8 m）進(jìn)行保護(hù)層開采條件，以及為了消除保護(hù)層遺漏煤柱下方被保護(hù)層中的卸壓盲區(qū)，提出了極薄、薄煤層半煤巖保護(hù)層無煤柱開采全面卸壓技術(shù)。

圖5 保護(hù)層不同煤柱寬度對應(yīng)垂直應(yīng)力分布云圖Fig.5 The cloud map of vertical stress distribution corresponding to different coal pillar widths of protective layer

2）通過數(shù)值模擬結(jié)果表明：被保護(hù)層中卸壓盲區(qū)寬度與保護(hù)層煤柱寬度大致符合線性增長趨勢，擬合方程為y=17.09x-10.05，擬合度R2=0.896 8。當(dāng)煤柱寬度0 m 時，原遺留煤柱下方被保護(hù)層中卸壓盲區(qū)消失，不發(fā)生垂直應(yīng)力集中。