基于UDEC數(shù)值模擬的薄煤層上保護(hù)層無煤柱全面卸壓開采分析

鄧成海　魏中舉　謝小平　張鑫　吳高文

摘 要：針對薄煤層煤層開挖后覆巖破裂移動規(guī)律、煤巖體應(yīng)力和變形分布特征一般特征規(guī)律，運(yùn)用UDEC4.0數(shù)值模擬軟件對薄煤層上保護(hù)層開采的采場應(yīng)力場特征及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上覆巖層活動機(jī)理、下保護(hù)層卸壓開采的卸壓范圍以及卸壓保護(hù)效果進(jìn)行模擬研究分析，進(jìn)而為薄煤層上保護(hù)層巷旁充填沿空留巷無煤柱開采的全面卸壓技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無煤柱開采;全面卸壓;數(shù)值模擬

0引言

我國厚度小于1.3m的薄煤層，資源分布廣泛，全國84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布，由于薄煤層開采難度大、投入產(chǎn)出比低等原因，產(chǎn)量只占總產(chǎn)量的10.4%，所以未來我國對薄煤層的開采將會更加廣泛。 因此就薄煤層開采的采場應(yīng)力場特征及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上覆巖層活動機(jī)理、下保護(hù)層卸壓開采的卸壓范圍以及卸壓保護(hù)效果進(jìn)行模擬研究分析，進(jìn)而為薄煤層上保護(hù)層巷旁充填沿空留巷無煤柱開采的全面卸壓技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果提供理論依據(jù)。

1 礦井基本概況

某煤礦位于六盤水市大灣鎮(zhèn)和威寧縣東風(fēng)鎮(zhèn)境內(nèi)，全長約50km。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(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a，服務(wù)年限79a。井田含可采及局部可采煤層6層，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤層，總厚度一般為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°。礦井屬于煤與瓦斯突出礦井，建礦至今在11#煤層掘進(jìn)工作面發(fā)生過4次瓦斯動力現(xiàn)象。根據(jù)《某煤礦2009年度礦井瓦斯等級鑒定報(bào)告》，全礦井絕對瓦斯涌出量為78.03m3/min（其中四采區(qū)絕對瓦斯涌出量為43.27m3/min，三采區(qū)絕對瓦斯涌出量為34.76m3/min），相對涌出量為36.26 m3/t。

2 上保護(hù)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(xiǎn)性。為提高下部7號、8號、9號、11號煤層預(yù)抽瓦斯的效果，實(shí)現(xiàn)下部突出危險(xiǎn)性煤層的卸壓防突，研究確定采用切頂卸壓爆破預(yù)裂一次成巷技術(shù)，對4號較薄煤層進(jìn)行上保護(hù)層無煤柱開采。

根據(jù)圖1（a）、（b）分析可知，若上保護(hù)層工作面留設(shè)區(qū)段煤柱，采空區(qū)下方煤層應(yīng)力降低，形成卸壓區(qū)域;而區(qū)段煤柱下方煤層應(yīng)力增高，形成卸壓盲區(qū)，下部煤層在以后開采過程中將增加突出危險(xiǎn)性;若采用切頂卸壓爆破預(yù)裂一次成巷技術(shù)，保護(hù)層工作面不留設(shè)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(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)下部煤層的全面卸壓，降低了下部煤層的突出危險(xiǎn)性。

根據(jù)國內(nèi)外大量保護(hù)層開采實(shí)踐表明，若被保護(hù)煤層要實(shí)現(xiàn)卸壓保護(hù)，被保護(hù)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(hù)層開采時(shí)，被保護(hù)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(dǎo)出上部保護(hù)層工作面開采留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)，下部被保護(hù)煤層中卸壓盲區(qū)的面積為：

式中：S為下部被保護(hù)煤層中卸壓盲區(qū)的面積，m2;δ1為上保護(hù)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(hù)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(hù)層工作面留設(shè)區(qū)段煤柱的寬度，m;L為上部保護(hù)層工作面留設(shè)區(qū)段煤柱的長度，m;l為下部被保護(hù)煤層與上部保護(hù)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(yàn)數(shù)據(jù)取卸壓角75o，若40403上保護(hù)層工作面留設(shè)寬度為20m的區(qū)段煤柱時(shí)，則區(qū)段煤柱下部7號煤層中卸壓盲區(qū)的面積計(jì)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(jì)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(jì)算約為19464.1m2。

3 構(gòu)建薄煤層上保護(hù)層無煤柱全面卸壓開采的數(shù)值模型

根據(jù)該煤礦4號較薄煤層現(xiàn)場地質(zhì)條件，選用UDEC4.0巖層數(shù)值模擬軟件[1-4]進(jìn)行模擬開挖，以現(xiàn)場40403工作面沿傾斜方向的剖面為原型，建立煤巖層縱向剖面的數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。工作面傾向模型尺寸為400 m×100m（長×高），模擬4號煤層傾角為9°，煤層厚度為1.07 m，采高1.6m，直接頂厚4.62 m，基本頂厚13.47 m，埋深340 m，施加上覆巖層的自重載荷為8.1 MPa。

4 模擬的內(nèi)容及方案設(shè)計(jì)

本次數(shù)值模擬對比分析40403上保護(hù)層工作面不留設(shè)區(qū)段煤柱和留設(shè)不同寬度的區(qū)段煤柱時(shí)，下伏煤巖層垂直應(yīng)力及垂直位移變形的規(guī)律，從而推導(dǎo)無煤柱開采和留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)下部煤層卸壓的不同效果，據(jù)此設(shè)計(jì)三種模擬方案：（1）工作面不留設(shè)區(qū)段煤柱;（2）留設(shè)寬度為20m的區(qū)段煤柱;（3）留設(shè)寬度為30m的區(qū)段煤柱。

5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了對比分析40403上保護(hù)層工作面不留設(shè)區(qū)段煤柱和留設(shè)不同寬度的區(qū)段煤柱時(shí)，下伏煤巖層垂直應(yīng)力及垂直位移變形的規(guī)律，從而分析無煤柱開采和留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)下部煤層卸壓的不同效果。從數(shù)值模型左邊20m處開始開挖，分別在下部7號、8號煤層中部布置一條觀測線，40403上保護(hù)層在工作面無煤柱和留設(shè)寬度為20m、30m區(qū)段煤柱時(shí)，下部煤層垂直應(yīng)力變化如圖3（a）、（b）所示。

（a）7號被保護(hù)煤層 （b）8號被保護(hù)煤層

數(shù)值模擬結(jié)果分析如下：

1）由圖3（a）、（b）可知，上保護(hù)層工作面開采留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)，在煤柱位置下方的7號、8號煤層中將出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍隨著上保護(hù)層工作面留設(shè)區(qū)段煤柱寬度的減小而減小;當(dāng)上保護(hù)層工作面不留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)，在原留設(shè)區(qū)段煤柱位置下方的7號、8號煤層中將不會出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中。

2）從上圖中可以看出，當(dāng)上保護(hù)層工作面留設(shè)寬度30m的區(qū)段煤柱，煤柱下方的7號煤層垂直應(yīng)力為11.7MP，約為原巖應(yīng)力的1.44倍，8號煤層垂直應(yīng)力為11.57MP，約為原巖應(yīng)力的1.43倍;當(dāng)不留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)，原留設(shè)煤柱位置下方的7號煤層垂直應(yīng)力為-2.94MP，8號煤層垂直應(yīng)力為-3.12MP，即上保護(hù)層工作面原留設(shè)煤柱位置下方的7號、8號煤層消除了卸壓盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了煤層的全面卸壓。

6切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采設(shè)計(jì)

40403風(fēng)巷設(shè)計(jì)寬度3.4m、高度2.3m。實(shí)施切頂卸壓成巷后，采用“錨索+工字鋼點(diǎn)柱+單體支柱+掛網(wǎng)+噴漿”進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。具體要求：

1）超前于工作面煤壁前方30m范圍內(nèi)，提前采用“單錨索+一梁二錨索”對頂板進(jìn)行加固支護(hù)。其中：單錨索按1.0m間距布置在距巷道采煤幫0.5m處，且要求布置方向與巷道走向一致;一梁二錨索按2.0m的間距布置在巷道頂部設(shè)計(jì)位置。然后再在錨索強(qiáng)化支護(hù)范圍內(nèi)實(shí)施定向切縫爆破作業(yè)切縫。加強(qiáng)錨索長5.4m，直徑15.24mm，外露長度300mm，錨固長度不小于1.0m;錨索托盤：托盤為300mm×300mm×10mm蝶形托盤;加強(qiáng)錨索要求超前動壓單體之前施工，預(yù)緊力6t。

2）在工作面投產(chǎn)前及項(xiàng)目實(shí)施過程中，均提前機(jī)、風(fēng)巷進(jìn)行超前支護(hù)。具體要求是：工作面煤壁前方0～10m段，采用雙排戴帽單體液壓支柱靠兩幫支護(hù);前方10～20m段，采用單排戴帽單體液壓支柱靠采面?zhèn)戎ёo(hù)，柱距1.0m，且確保人行寬度≮0.8m。所有單體液壓支柱均要求支設(shè)成排、成線，根根拴油絲繩，并確保支柱初撐力≮11.4MPa（90KN）。

3）對工作面煤壁后方40.0m范圍內(nèi)，在距離切頂線采煤幫1.2m位置，按1.0m柱距支設(shè)單排單體支柱。工作面煤壁后方40.0m以外的地段，當(dāng)壓力趨于穩(wěn)定后，即對單體支柱進(jìn)行回撤。并在巷道距離采煤幫0.3m處，按0.6m的間距均勻支設(shè)工字鋼點(diǎn)柱進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，要求工字鋼點(diǎn)柱垂直于煤層頂?shù)装澹渲C深度≮0.3m，且必須根根戴木帽、木墊子;其中：工字鋼點(diǎn)柱、單排單體支柱滯后于工作面最末一架支架尾部的距離≯1.0m。

并在工字鋼靠采空區(qū)側(cè)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)之間用14#鉛絲扭接緊固（控制網(wǎng)子頂面與煤層頂板之間的間距≯0.2m）。

5）在周期來壓期間，對于局部地段頂板未切落懸頂狀態(tài)超過30m，即考慮補(bǔ)打炮眼進(jìn)行強(qiáng)制放頂，避免或減少局部老頂在懸臂狀態(tài)引起的壓力增大，從而導(dǎo)致巷道變形量加大現(xiàn)象。

待工作面采完后，根據(jù)垮落巖石的塊度及采空區(qū)壓力顯現(xiàn)情況，考慮對沿空留巷切頂段南幫進(jìn)行噴漿支護(hù)。若垮落巖石較大，無竄矸可能，則無需進(jìn)行噴漿支護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孫國文，羅甲淵，羅斌玉.采動巖層滲透率與應(yīng)力耦合關(guān)系數(shù)值模擬研究[J].煤礦安全，2018，49（1）：212-217.

作者簡介：

鄧成海（1997.09-）男，漢，貴州赫章縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)研究

項(xiàng)目基金：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：202010977017

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院? ?六盤水市? ?553004）