高瓦斯煤層群上保護層無煤柱開采的卸壓機理及效果分析

謝小平，黃宇琪，魏中舉

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院，貴州六盤水553004）

一、工程概況

某煤礦位于六盤水市境內，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，設計全區開采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采條件。設計礦井年產能為90萬t。該煤礦4#煤層40403、40405工作面開采時，其下方工作面為40803工作面。40403工作面走向和傾斜平均長度分別為400 m和118 m，工作面埋深約為355 m，工作面回風巷和運輸巷的標高分別為+1723 m、+1692 m。40403試驗工作面范圍內4#煤層地質構造簡單，產狀較穩定，煤層厚度平均為1.6m，傾角平均為9°，容重1.5 t/m3。40403工作面初步設計回風巷實施切頂沿空留巷將其進行保留作為下個工作面的運輸巷，進而工作面形成Y型通風。回風巷寬度和高度分別為3.4 m、2.3 m，支護方式為“錨+梁+噴”。

二、頂板切頂留巷理論與技術研究

（一）沿空留巷側向頂板結構狀態分析

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

圖1 不同時期沿空留巷側向頂板結構狀態

（二）切縫高度及傾角的卸壓效應分析

研究[1-6]表明：沿空留巷頂板切縫高度與改善巷道圍巖應力狀態有直接關系，在一定范圍內隨著切縫高度的增加，對于改善巷道圍巖應力狀態越有利，但是當切縫高度超過一定范圍后，將不利于改善巷道圍巖應力狀態，并會對沿空留巷圍巖應力狀態構成不利的影響。根據該煤礦40403工作面覆巖條件，4#號煤層上方第一層頂板巖層（砂質泥巖）冒落活動空間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，所以最優的頂板預裂深度在4.4 m范圍內。

根據40403工作面現場開采條件及其頂板巖層條件，初步設計切縫炮孔深度為4.4 m。在巷道非采幫側與切頂錨索相距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。為保證預裂切縫的效果，在炮孔施工時要嚴格控制炮孔質量和設計參數。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，取1.4。帶入數據計算得炮孔深度初步設計4.4 m能滿足切頂后需要。

三、上保護層無煤柱全面卸壓開采技術研究

（一）上保護層開采下伏巖層裂隙分布特征

為消除煤柱下方被保護層中未卸壓的區域，及充分回采煤炭資源，對該煤礦4#煤進行切頂留巷開采。該煤礦4#煤保護層開采后，根據底板裂隙發育情況，將其劃分為三區兩帶[1-6]：沿工作面推進方向上，底板應力集中區、降低區和恢復區，底板變形帶和裂隙帶，如圖2所示。

圖2 下伏煤巖層應力分區及裂隙發育示意圖

（二）無煤柱全面卸壓開采理論基礎

在貴州礦區現場實踐的無煤柱沿空留巷技術中，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，這樣的無煤柱沿空留巷容易出現巷旁煤體、充填墻體或砌筑塊體在礦山壓力作用下發生壓裂、外鼓等變形破壞，且通常會出現巷道非采煤幫片幫嚴重、范圍大、底臌量大等情況，大大增加了沿空巷道后期的維護費用，并影響生產安全。 為了提前對 7#、8#、9#、11#煤層進行卸壓，研究決定先行對4#較薄煤層進行保護層開采，工作面回采巷道設計采用預裂爆破切頂一次成巷，如圖3所示。

圖3 切頂預裂沿空留巷無煤柱開采

在煤層群開采中，原煤柱下方被保護層中未卸壓的區域消失，消除了卸壓盲區。結合圖3a、圖2b工作面留煤柱和無煤柱開采卸壓機理和進行分析，通過去除現場斷層、褶皺等地質條件的影響，并對煤層厚度和波動起伏情況進行簡化，進而推導出理論計算卸壓盲區體積的公式[1-6]：

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

四、無煤柱全面卸壓開采效果數值模擬分析

（一）模型構建及方案設計

采用UDEC4.0模擬軟件[1-6]進行模擬分析，以揭示4#煤層開采后頂底板巖層的應力、位移及裂隙的分布規律，分析保護層無煤柱開采實現鄰近被保護層的全面卸壓效果。此次模擬以該礦4#煤層40403工作面為背景，構建數值模型尺寸為400 m×100 m（長×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，通過計算模型上覆巖層的自重得出應在模型上邊界施加載荷8.1 MPa。設計三種模擬方案：工作面留煤柱寬度分別為0 m、20 m、30 m。

（二）上保護層無煤柱開采全面卸壓分析

在數值模型中4#煤層水平軸坐標20 m處布置開切眼，從左至右開挖兩個保護層工作面，相鄰兩工作面間留設煤柱分別為0 m、20 m、30 m，在下方7#、8#被保護層中布置觀測線，數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

根據圖4分析可得：當煤柱寬度為20 m和30 m時，下方的7#和8#被保護層的最大壓縮變形率值在5.82‰～7.78‰范圍；當煤柱寬度為0 m時，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消失，消除了卸壓盲區。

隨著煤柱寬度的增加下被保護層中卸壓盲區（膨脹率小于3‰的范圍）也隨之增大。當煤柱寬度分別為20 m、30 m時，下方的7#和8#被保護層卸壓盲區沿煤層傾斜方向的寬度分別為38 m和45 m；而當煤柱寬度為0 m時，在被保護層中卸壓盲區消失。據此也可判斷當保護層采用無煤柱（煤柱寬度0 m）開采時，下被保護煤層中無卸壓盲區，進而實現全面卸壓。