高瓦斯煤層群上保護(hù)層無(wú)煤柱開(kāi)采的卸壓機(jī)理及效果分析

謝小平，黃宇琪，魏中舉

（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）

一、工程概況

某煤礦位于六盤水市境內(nèi)，該煤礦井田局部可采及可采煤層共 9 層（2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、11#、12#煤層），煤層總厚度在5.55 m～18.48 m之間，設(shè)計(jì)全區(qū)開(kāi)采4#、8#、11#煤層，共3層煤，煤層傾角在7o～10o之間，該礦井屬于高突煤層群開(kāi)采條件。設(shè)計(jì)礦井年產(chǎn)能為90萬(wàn)t。該煤礦4#煤層40403、40405工作面開(kāi)采時(shí)，其下方工作面為40803工作面。40403工作面走向和傾斜平均長(zhǎng)度分別為400 m和118 m，工作面埋深約為355 m，工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的標(biāo)高分別為+1723 m、+1692 m。40403試驗(yàn)工作面范圍內(nèi)4#煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，煤層厚度平均為1.6m，傾角平均為9°，容重1.5 t/m3。40403工作面初步設(shè)計(jì)回風(fēng)巷實(shí)施切頂沿空留巷將其進(jìn)行保留作為下個(gè)工作面的運(yùn)輸巷，進(jìn)而工作面形成Y型通風(fēng)。回風(fēng)巷寬度和高度分別為3.4 m、2.3 m，支護(hù)方式為“錨+梁+噴”。

二、頂板切頂留巷理論與技術(shù)研究

（一）沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析

通過(guò)切縫[1-6]隔斷了懸露頂板力的傳遞，降低了頂板側(cè)向懸臂的長(zhǎng)度，巷道上覆巖層通過(guò)緩慢擠壓直接頂垮落巖層，將力傳遞到巷道頂板和支護(hù)體上，通過(guò)切縫的隔斷作用，巷旁支護(hù)體和沿空巷道的力學(xué)環(huán)境得到明顯改善。

圖1 不同時(shí)期沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)狀態(tài)

（二）切縫高度及傾角的卸壓效應(yīng)分析

研究[1-6]表明：沿空留巷頂板切縫高度與改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)有直接關(guān)系，在一定范圍內(nèi)隨著切縫高度的增加，對(duì)于改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)越有利，但是當(dāng)切縫高度超過(guò)一定范圍后，將不利于改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并會(huì)對(duì)沿空留巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)構(gòu)成不利的影響。根據(jù)該煤礦40403工作面覆巖條件，4#號(hào)煤層上方第一層頂板巖層（砂質(zhì)泥巖）冒落活動(dòng)空間S1為6.22 m，m1（中粒砂巖）冒落后的充填厚度KAm1為6.468 m，因KAm1×m1＞S1，故m1巖層不完全冒落，所以最優(yōu)的頂板預(yù)裂深度在4.4 m范圍內(nèi)。

根據(jù)40403工作面現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采條件及其頂板巖層條件，初步設(shè)計(jì)切縫炮孔深度為4.4 m。在巷道非采幫側(cè)與切頂錨索相距400 mm處布置炮眼，炮孔與垂直方向夾角為5°～30°，向巷道非采幫略傾斜。為保證預(yù)裂切縫的效果，在炮孔施工時(shí)要嚴(yán)格控制炮孔質(zhì)量和設(shè)計(jì)參數(shù)。炮孔深度確定為：

式（1）中，h為煤層采高，取1.6 m；H為頂板裂隙深度，取4.4 m；γ為碎脹系數(shù)，取1.4。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得炮孔深度初步設(shè)計(jì)4.4 m能滿足切頂后需要。

三、上保護(hù)層無(wú)煤柱全面卸壓開(kāi)采技術(shù)研究

（一）上保護(hù)層開(kāi)采下伏巖層裂隙分布特征

為消除煤柱下方被保護(hù)層中未卸壓的區(qū)域，及充分回采煤炭資源，對(duì)該煤礦4#煤進(jìn)行切頂留巷開(kāi)采。該煤礦4#煤保護(hù)層開(kāi)采后，根據(jù)底板裂隙發(fā)育情況，將其劃分為三區(qū)兩帶[1-6]：沿工作面推進(jìn)方向上，底板應(yīng)力集中區(qū)、降低區(qū)和恢復(fù)區(qū)，底板變形帶和裂隙帶，如圖2所示。

圖2 下伏煤巖層應(yīng)力分區(qū)及裂隙發(fā)育示意圖

（二）無(wú)煤柱全面卸壓開(kāi)采理論基礎(chǔ)

在貴州礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)中，常采用留煤墩、巷旁充填充填料及巷旁砌筑料石的沿空留巷技術(shù)，這樣的無(wú)煤柱沿空留巷容易出現(xiàn)巷旁煤體、充填墻體或砌筑塊體在礦山壓力作用下發(fā)生壓裂、外鼓等變形破壞，且通常會(huì)出現(xiàn)巷道非采煤幫片幫嚴(yán)重、范圍大、底臌量大等情況，大大增加了沿空巷道后期的維護(hù)費(fèi)用，并影響生產(chǎn)安全。 為了提前對(duì) 7#、8#、9#、11#煤層進(jìn)行卸壓，研究決定先行對(duì)4#較薄煤層進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采，工作面回采巷道設(shè)計(jì)采用預(yù)裂爆破切頂一次成巷，如圖3所示。

圖3 切頂預(yù)裂沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采

在煤層群開(kāi)采中，原煤柱下方被保護(hù)層中未卸壓的區(qū)域消失，消除了卸壓盲區(qū)。結(jié)合圖3a、圖2b工作面留煤柱和無(wú)煤柱開(kāi)采卸壓機(jī)理和進(jìn)行分析，通過(guò)去除現(xiàn)場(chǎng)斷層、褶皺等地質(zhì)條件的影響，并對(duì)煤層厚度和波動(dòng)起伏情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而推導(dǎo)出理論計(jì)算卸壓盲區(qū)體積的公式[1-6]：

式（2）中，V為下被保護(hù)層中未卸壓范圍的體積，m3；l為保護(hù)煤層與被保護(hù)煤層間的垂距，m；d和L分別為煤柱寬度和長(zhǎng)度，m；δ1和δ2為分別為保護(hù)層上下兩端的卸壓角，(o)；H為保護(hù)層采高1 m。

四、無(wú)煤柱全面卸壓開(kāi)采效果數(shù)值模擬分析

（一）模型構(gòu)建及方案設(shè)計(jì)

采用UDEC4.0模擬軟件[1-6]進(jìn)行模擬分析，以揭示4#煤層開(kāi)采后頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力、位移及裂隙的分布規(guī)律，分析保護(hù)層無(wú)煤柱開(kāi)采實(shí)現(xiàn)鄰近被保護(hù)層的全面卸壓效果。此次模擬以該礦4#煤層40403工作面為背景，構(gòu)建數(shù)值模型尺寸為400 m×100 m（長(zhǎng)×高）。模型中4#煤層厚度平均為1.6 m，傾角平均為9°，其下方7#、8#、11#煤層分別在垂距8.8 m、18.2 m、53.48 m處，煤厚分別為1.8 m、2.32 m和2.8 m。該煤礦40403工作面埋深約340 m，通過(guò)計(jì)算模型上覆巖層的自重得出應(yīng)在模型上邊界施加載荷8.1 MPa。設(shè)計(jì)三種模擬方案：工作面留煤柱寬度分別為0 m、20 m、30 m。

（二）上保護(hù)層無(wú)煤柱開(kāi)采全面卸壓分析

在數(shù)值模型中4#煤層水平軸坐標(biāo)20 m處布置開(kāi)切眼，從左至右開(kāi)挖兩個(gè)保護(hù)層工作面，相鄰兩工作面間留設(shè)煤柱分別為0 m、20 m、30 m，在下方7#、8#被保護(hù)層中布置觀測(cè)線，數(shù)值模擬下部煤層垂直位移變形情況如圖4所示。

圖4 下部煤層垂直位移變形曲線

根據(jù)圖4分析可得：當(dāng)煤柱寬度為20 m和30 m時(shí)，下方的7#和8#被保護(hù)層的最大壓縮變形率值在5.82‰～7.78‰范圍；當(dāng)煤柱寬度為0 m時(shí)，7#、8#煤層最大膨脹變形值在2.03‰～2.13‰范圍，原留煤柱下方的煤層壓縮變形區(qū)消失，消除了卸壓盲區(qū)。

隨著煤柱寬度的增加下被保護(hù)層中卸壓盲區(qū)（膨脹率小于3‰的范圍）也隨之增大。當(dāng)煤柱寬度分別為20 m、30 m時(shí)，下方的7#和8#被保護(hù)層卸壓盲區(qū)沿煤層傾斜方向的寬度分別為38 m和45 m；而當(dāng)煤柱寬度為0 m時(shí)，在被保護(hù)層中卸壓盲區(qū)消失。據(jù)此也可判斷當(dāng)保護(hù)層采用無(wú)煤柱（煤柱寬度0 m）開(kāi)采時(shí)，下被保護(hù)煤層中無(wú)卸壓盲區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全面卸壓。