基于UDEC数值模拟的薄煤层上保护层无煤柱全面卸压开采分析

邓成海　魏中举　谢小平　张鑫　吴高文

摘 要：针对薄煤层煤层开挖后覆岩破裂移动规律、煤岩体应力和变形分布特征一般特征规律，运用UDEC4.0数值模拟软件对薄煤层上保护层开采的采场应力场特征及工作面矿压显现规律、上覆岩层活动机理、下保护层卸压开采的卸压范围以及卸压保护效果进行模拟研究分析，进而为薄煤层上保护层巷旁充填沿空留巷无煤柱开采的全面卸压技术现场应用效果提供理论依据。

关键词：无煤柱开采;全面卸压;数值模拟

0引言

我国厚度小于1.3m的薄煤层，资源分布广泛，全国84.2%的矿区均有薄煤层分布，由于薄煤层开采难度大、投入产出比低等原因，产量只占总产量的10.4%，所以未来我国对薄煤层的开采将会更加广泛。 因此就薄煤层开采的采场应力场特征及工作面矿压显现规律、上覆岩层活动机理、下保护层卸压开采的卸压范围以及卸压保护效果进行模拟研究分析，进而为薄煤层上保护层巷旁充填沿空留巷无煤柱开采的全面卸压技术现场应用效果提供理论依据。

1 矿井基本概况

某煤矿位于六盘水市大湾镇和威宁县东风镇境内，全长约50km。该煤矿为平硐+斜井开拓，单水平上下山开采，开采方式为走向长壁后退式，采用综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板，设计生产能力90万t/a，服务年限79a。井田含可采及局部可采煤层6层，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤层，总厚度一般为11.27米，主要可采煤层为2#、4#、11#，局部可采煤层为7#、8#、9#，煤层平均倾角在7～12°。矿井属于煤与瓦斯突出矿井，建矿至今在11#煤层掘进工作面发生过4次瓦斯动力现象。根据《某煤矿2009年度矿井瓦斯等级鉴定报告》，全矿井绝对瓦斯涌出量为78.03m3/min（其中四采区绝对瓦斯涌出量为43.27m3/min，三采区绝对瓦斯涌出量为34.76m3/min），相对涌出量为36.26 m3/t。

2 上保护层无煤柱开采全面卸压理论分析

某煤矿属于高瓦斯低透气性煤层群开采条件，且煤层具有突出危险性。为提高下部7号、8号、9号、11号煤层预抽瓦斯的效果，实现下部突出危险性煤层的卸压防突，研究确定采用切顶卸压爆破预裂一次成巷技术，对4号较薄煤层进行上保护层无煤柱开采。

根据图1（a）、（b）分析可知，若上保护层工作面留设区段煤柱，采空区下方煤层应力降低，形成卸压区域;而区段煤柱下方煤层应力增高，形成卸压盲区，下部煤层在以后开采过程中将增加突出危险性;若采用切顶卸压爆破预裂一次成巷技术，保护层工作面不留设区段煤柱，不仅煤柱煤炭资源将被回收，而且原煤柱下部不会出现应力集中，实现下部煤层的全面卸压，降低了下部煤层的突出危险性。

根据国内外大量保护层开采实践表明，若被保护煤层要实现卸压保护，被保护煤层的卸压膨胀变形必须大于6‰，故卸压盲区可定义为[1-4]：保护层开采时，被保护煤层卸压法向膨胀变形小于6‰的区域。根据图1（a）分析可推导出上部保护层工作面开采留设区段煤柱时，下部被保护煤层中卸压盲区的面积为：

式中：S为下部被保护煤层中卸压盲区的面积，m2;δ1为上保护层工作面倾斜方向上的下端卸压角（如图1（a）所示）， o;δ2为上保护层工作面倾斜方向上的上端卸压角（如图1（a）所示）， o;d为上部保护层工作面留设区段煤柱的宽度，m;L为上部保护层工作面留设区段煤柱的长度，m;l为下部被保护煤层与上部保护煤层之间的纵向垂距，m。

某煤矿4号较薄煤层为近水平煤层，根據经验数据取卸压角75o，若40403上保护层工作面留设宽度为20m的区段煤柱时，则区段煤柱下部7号煤层中卸压盲区的面积计算约为9890.7m2，区段煤柱下部8号煤层中卸压盲区的面积计算约为11899.8m2，区段煤柱下部11号煤层中卸压盲区的面积计算约为19464.1m2。

3 构建薄煤层上保护层无煤柱全面卸压开采的数值模型

根据该煤矿4号较薄煤层现场地质条件，选用UDEC4.0岩层数值模拟软件[1-4]进行模拟开挖，以现场40403工作面沿倾斜方向的剖面为原型，建立煤岩层纵向剖面的数值计算模型，如图2所示。工作面倾向模型尺寸为400 m×100m（长×高），模拟4号煤层倾角为9°，煤层厚度为1.07 m，采高1.6m，直接顶厚4.62 m，基本顶厚13.47 m，埋深340 m，施加上覆岩层的自重载荷为8.1 MPa。

4 模拟的内容及方案设计

本次数值模拟对比分析40403上保护层工作面不留设区段煤柱和留设不同宽度的区段煤柱时，下伏煤岩层垂直应力及垂直位移变形的规律，从而推导无煤柱开采和留设区段煤柱时下部煤层卸压的不同效果，据此设计三种模拟方案：（1）工作面不留设区段煤柱;（2）留设宽度为20m的区段煤柱;（3）留设宽度为30m的区段煤柱。

5 数值模拟结果分析

为了对比分析40403上保护层工作面不留设区段煤柱和留设不同宽度的区段煤柱时，下伏煤岩层垂直应力及垂直位移变形的规律，从而分析无煤柱开采和留设区段煤柱时下部煤层卸压的不同效果。从数值模型左边20m处开始开挖，分别在下部7号、8号煤层中部布置一条观测线，40403上保护层在工作面无煤柱和留设宽度为20m、30m区段煤柱时，下部煤层垂直应力变化如图3（a）、（b）所示。

（a）7号被保护煤层 （b）8号被保护煤层

数值模拟结果分析如下：

1）由图3（a）、（b）可知，上保护层工作面开采留设区段煤柱时，在煤柱位置下方的7号、8号煤层中将出现垂直应力集中，且应力集中范围随着上保护层工作面留设区段煤柱宽度的减小而减小;当上保护层工作面不留设区段煤柱时，在原留设区段煤柱位置下方的7号、8号煤层中将不会出现垂直应力集中。

2）从上图中可以看出，当上保护层工作面留设宽度30m的区段煤柱，煤柱下方的7号煤层垂直应力为11.7MP，约为原岩应力的1.44倍，8号煤层垂直应力为11.57MP，约为原岩应力的1.43倍;当不留设区段煤柱时，原留设煤柱位置下方的7号煤层垂直应力为-2.94MP，8号煤层垂直应力为-3.12MP，即上保护层工作面原留设煤柱位置下方的7号、8号煤层消除了卸压盲区，实现了煤层的全面卸压。

6切顶卸压沿空留巷无煤柱开采设计

40403风巷设计宽度3.4m、高度2.3m。实施切顶卸压成巷后，采用“锚索+工字钢点柱+单体支柱+挂网+喷浆”进行加强支护。具体要求：

1）超前于工作面煤壁前方30m范围内，提前采用“单锚索+一梁二锚索”对顶板进行加固支护。其中：单锚索按1.0m间距布置在距巷道采煤帮0.5m处，且要求布置方向与巷道走向一致;一梁二锚索按2.0m的间距布置在巷道顶部设计位置。然后再在锚索强化支护范围内实施定向切缝爆破作业切缝。加强锚索长5.4m，直径15.24mm，外露长度300mm，锚固长度不小于1.0m;锚索托盘：托盘为300mm×300mm×10mm蝶形托盘;加强锚索要求超前动压单体之前施工，预紧力6t。

2）在工作面投产前及项目实施过程中，均提前机、风巷进行超前支护。具体要求是：工作面煤壁前方0～10m段，采用双排戴帽单体液压支柱靠两帮支护;前方10～20m段，采用单排戴帽单体液压支柱靠采面侧支护，柱距1.0m，且确保人行宽度≮0.8m。所有单体液压支柱均要求支設成排、成线，根根拴油丝绳，并确保支柱初撑力≮11.4MPa（90KN）。

3）对工作面煤壁后方40.0m范围内，在距离切顶线采煤帮1.2m位置，按1.0m柱距支设单排单体支柱。工作面煤壁后方40.0m以外的地段，当压力趋于稳定后，即对单体支柱进行回撤。并在巷道距离采煤帮0.3m处，按0.6m的间距均匀支设工字钢点柱进行强化支护，要求工字钢点柱垂直于煤层顶底板，其柱窝深度≮0.3m，且必须根根戴木帽、木垫子;其中：工字钢点柱、单排单体支柱滞后于工作面最末一架支架尾部的距离≯1.0m。

并在工字钢靠采空区侧铺设钢筋网，网与网之间用14#铅丝扭接紧固（控制网子顶面与煤层顶板之间的间距≯0.2m）。

5）在周期来压期间，对于局部地段顶板未切落悬顶状态超过30m，即考虑补打炮眼进行强制放顶，避免或减少局部老顶在悬臂状态引起的压力增大，从而导致巷道变形量加大现象。

待工作面采完后，根据垮落岩石的块度及采空区压力显现情况，考虑对沿空留巷切顶段南帮进行喷浆支护。若垮落岩石较大，无窜矸可能，则无需进行喷浆支护。

参考文献：

[1]霍丙杰，范张磊，路洋波，等.保护层开采被保护层体积应变与渗透特性相似模拟研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：19-25.

[2]孙国文，罗甲渊，罗斌玉.采动岩层渗透率与应力耦合关系数值模拟研究[J].煤矿安全，2018，49（1）：212-217.

作者简介：

邓成海（1997.09-）男，汉，贵州赫章县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习研究

项目基金：国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202010977017

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院   六盘水市   553004）