薄煤層無煤柱開采全面卸壓數(shù)值模擬的方案設(shè)計(jì)

宋義華 謝小平 管育春 張權(quán)坤

摘 要：針對高瓦斯煤層群安全高效開采的問題，為模擬煤層群在近距離條件下較薄煤層開采上保護(hù)層過程中煤層的頂?shù)装逶诿簬r層的破裂情況和移動規(guī)律，以及在隨著薄煤層上保護(hù)層開采工作面的推進(jìn)，煤層下部的被保護(hù)煤層產(chǎn)生的位移變形和應(yīng)力變化的分布特征，進(jìn)而分析留煤柱和無煤柱開采時(shí)下覆煤巖層的卸壓效果，據(jù)此盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層上保護(hù)層40403工作面為現(xiàn)場依據(jù)，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，設(shè)計(jì)了薄煤層無煤柱開采數(shù)值模擬方案。

關(guān)鍵詞：薄煤層;無煤柱開采;全面卸壓;數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.087

1 工程概況

以設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬t/年的貴州盛遠(yuǎn)煤礦為例，貴州盛遠(yuǎn)煤礦位于六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)，礦井的服務(wù)年限為79年。2號、4號、7號、8號、9號、11號煤層，這6層為可采及局部可采煤層。對貴州盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層上保護(hù)層的40403工作面情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，工作面以400米為平均走向長度，118米為平均傾斜長度。主要開采盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層，4號煤層厚度在1.07米到2.47米之間， 平均煤厚在1.66米左右，4號煤層的傾角在7°到11°之間，平均煤傾角在9°左右，為近水平煤層，容重1.5t/m3，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，受斷層影響較小。4號煤層底板主要為灰色砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，厚度在0到11.8米之間，一般平均在5.22米左右;頂板則是以灰色泥巖或者以深灰色砂質(zhì)泥巖為主的巖層，頂板的厚度約在0.25米到12.78米之間，一般平均在4.62米左右。

2 無煤柱開采煤層全面卸壓理論基礎(chǔ)

貴州盛遠(yuǎn)煤礦具有高瓦斯、透氣性低的特點(diǎn)，它突出的危險(xiǎn)性很高。以盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層為現(xiàn)場依據(jù)，為提高4號煤層下部7號、8號、9號、11號煤層瓦斯的預(yù)先抽采效果，以及為實(shí)現(xiàn)在7號、8號、9號、11號煤層中對煤層的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行卸壓防突，所以研究確定了對貴州盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層進(jìn)行上保護(hù)層無煤柱開采，所采用技術(shù)為切頂卸壓一次成巷技術(shù)，一次成巷具有安全、速度快、質(zhì)量好、成本低等特點(diǎn)。以此來提高下部7號、8號、9號、11號煤層預(yù)抽瓦斯的效果和實(shí)現(xiàn)下部突出危險(xiǎn)性煤層的卸壓防突。

根據(jù)圖1（a）、（b）分析可得，若上保護(hù)層工作面留設(shè)區(qū)段煤柱，由于采空區(qū)受應(yīng)力變化規(guī)律的影響，而使采空部分的下方煤層的應(yīng)力變化得到下降，進(jìn)而在下方煤層形成了具有卸壓效果一定范圍區(qū)域;而在留設(shè)區(qū)段煤柱下方的煤層受應(yīng)力變化的規(guī)律較大，故應(yīng)力就會向煤柱下方煤層集中，所受到的應(yīng)力也會大大升高，應(yīng)力升高的這一區(qū)域叫做應(yīng)力集中區(qū)（又稱卸壓盲區(qū)）。

3 薄煤層上保護(hù)層開采數(shù)值模擬

3.1 模型建立

模型建立采用UDEC4.0數(shù)值模擬軟件進(jìn)行，盛遠(yuǎn)煤礦4號煤層為現(xiàn)場地質(zhì)條件，以盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層上保護(hù)層40403工作面沿傾斜方向的剖面為原型來進(jìn)行模擬開挖試驗(yàn)，工作面傾向模型長度是400米、寬度是100米， 4號煤層平均厚度為1.07 米，平均煤層傾角9°，采高1.66米，直接頂平均厚度4.62 米，老頂平均厚度13.47 米，埋深340 米左右，對其施加8.1MPa的上覆巖層的自重載荷，以此來建立煤巖層在縱向剖面上的數(shù)值模擬計(jì)算模型。

3.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

此次數(shù)值模擬計(jì)算模型的目的是對比分析盛遠(yuǎn)煤礦4號較薄煤層上保護(hù)層40403工作面上保護(hù)層工作面在留設(shè)不同寬度的區(qū)段煤柱和不留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)，根據(jù)工作面下部煤巖層的垂直位移變形規(guī)律和垂直應(yīng)力變化的規(guī)律，從而推導(dǎo)得出留設(shè)寬度不同的區(qū)段煤柱和不留設(shè)區(qū)段煤柱開采時(shí)，盛遠(yuǎn)煤礦4號煤層下部煤巖層的不同卸壓效果。故而設(shè)計(jì)出三種模擬方案：（1）在工作面開采時(shí)不留設(shè)區(qū)段煤柱;（2）在工作面開采時(shí)留設(shè)20m寬的區(qū)段煤柱;（3）在工作面開采時(shí)留設(shè)30m寬的區(qū)段煤柱。

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