薄煤层保护层开采卸压效果的数值模拟分析

宋义华 谢小平 管育春 张权坤

摘 要：针对贵州高瓦斯煤层群安全高效开采的问题，据此盛远煤矿4号较薄煤层上保护层40403工作面为现场依据，选择采用数值模拟软件UDEC4.0来进行试验，模拟煤层群在近距离条件下较薄煤层开采上保护层过程中煤层的顶底板在煤岩层的破裂情况和移动规律，以及在随着薄煤层上保护层开采工作面的推进，煤层下部的被保护煤层产生的位移变形和应力变化的分布特征，进而分析留煤柱和无煤柱开采时下覆煤岩层的卸压效果。

关键词：薄煤层;无煤柱开采;卸压效果;数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.088

1 工程概况

以设计生产能力为90万t/年的贵州盛远煤矿为例，贵州盛远煤矿位于六盘水市钟山区大湾镇，矿井的服务年限为79年。2号、4号、7号、8号、9号、11号煤层，这6层为可采及局部可采煤层。对贵州盛远煤矿4号较薄煤层上保护层的40403工作面情况进行模拟试验，工作面以400米为平均走向长度，118米为平均倾斜长度。主要开采盛远煤矿4号较薄煤层，4号煤层的倾角在7°到11°之间，平均煤倾角在9°左右，为近水平煤层，，4号煤层的厚度在1.07米到2.47米之间， 平均煤厚在1.66米左右，容重为1.5t/m3，产状比较稳定，所受断层的影响较小。4号煤层顶板则是以灰色泥岩或者以深灰色砂质泥岩为主的岩层，顶板的厚度约在0.25米到12.78米之间，一般平均在4.62米左右;底板则主要为灰色砂质泥岩或细砂岩，厚度在0到11.8米之间，一般平均在5.22米左右。

2 保护层开采卸压效果数值模拟分析

2.1 模型建立

模型建立采用UDEC4.0数值模拟软件来进行，盛远煤矿4号煤层为现场地质条件，以盛远煤矿4号较薄煤层上保护层40403工作面沿倾斜方向的剖面为原型来进行模拟开挖试验，以此来建立煤岩层在纵向剖面上的数值模拟计算模型。工作面倾向模型长度是400米、宽度是100米，4号煤层平均厚度为1.07 米，平均煤层倾角9°，采高1.66米，直接顶平均厚度4.62 米，老顶平均厚度13.47 米，埋深340 米左右，对其施加8.1MPa的上覆岩层的自重载荷。

2.2 数值模拟方案设计

此次数值模拟计算模型的目的就是对比分析贵州盛远煤矿4号较薄煤层上保护层40403工作面在开采时，在留设不同宽度的区段煤柱和不留设区段煤柱这两种情况下，根据上保护层工作面下部煤岩层所受的垂直位移变形规律和垂直应力变化规律的影响，从而推导得出留设宽度不同的区段煤柱和不留设区段煤柱开采时，盛远煤矿4号煤层下部煤岩层的不同卸压效果。故而设计出三种模拟方案：（1）在工作面开采时不留设区段煤柱;（2）在工作面开采时留设20米宽的区段煤柱;（3）在工作面开采时留设30米宽的区段煤柱。

2.3 卸压效果分析

上保护层工作面下部煤层所受垂直位移变形情况（图1所示）和垂直应力变化情况（图2所示）。

数值模拟结果分析如下：

（1）下部煤层位移变形分析。当在上保护层工作面开采不留设煤柱的情况时，在工作面原来留设煤柱位置下方的7号、8号被保护层就发生了在纵向的膨胀变形，进而在工作面下部的7号、8号煤层最大纵向的膨胀变形率在2.03‰～2.13‰之间;而留设宽度20米的区段煤柱和30米的区段煤柱时，煤柱下方的7号、8号煤层的最大压缩变形率约在5.82‰～7.78‰ 之间。

（2）下被保护层应力变化分析。根据数值模拟出的结果可以看出，当在上保护层工作面开采过程中留设宽度30米的区段煤柱时，在工作面留设煤柱下方的7号、8号煤层垂直应力分别为11.7MP、11.57MP，大约是原岩应力的1.44倍左右和1.43倍左右;则在开采时不留设区段煤柱，工作面原来留设煤柱位置下方的7号、8号煤层垂直应力分别为-2.94MP和-3.12MP，即贵州盛远煤矿4号较薄煤层上保护层40403工作面在原来留设煤柱位置下方的7号、8号煤层消除了应力集中区，实现了贵州盛远煤矿4号较薄煤层上保护层工作面下部的7号、8号煤层全面卸压，降低了下部煤层的突出危险性。

参考文献：

[1]秦子晗，潘俊锋，任勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010（04）：85-86.

[2]杨柳.上保护层开采卸压数值模拟与保护效果考察[J].煤矿安全，2011（07）：129-131.

[3]王金安，王树仁，冯锦艳等.岩土工程数值计算方法实用教程[M].福建：科学出版社，2010.

国家级大学生创新创业训练计划项目（201810977010）

作者简介：宋义华（1995-），男，贵州正安人，本科，研究方向：采矿工程。

*為通讯作者