基于UDEC 数值模拟实验的保护层无煤柱全面卸压开采分析

谢小平，刘晓宁，梁敏富

（1.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004；2.山西煤矿安全培训中心，山西 太原 030006；3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

近年，国内外大量工程技术人员和科研工作者致力于极薄、薄煤层的开采[1-7]，且研究成果[8-9]大多针对极薄、薄煤层无煤柱开采巷道支护、保护层开采覆岩裂隙、应力场以及卸压效果提出理论方法和技术措施，但对于采用极薄、薄煤层半煤岩工作面保护层无煤柱开采技术来解决极薄、薄煤层煤炭资源开采和煤层群全面卸压防突相结合的研究较少。极薄、薄煤层保护层开采时，遗留煤柱下方被保护层中未卸压的范围内将出现煤体压缩、集中应力、瓦斯含量和压力增大[10-14]，致使后期被保护层在开采卸压盲区范围区段煤层时安全隐患增大。为此以典型高突低透气性煤层群开采矿井为实验背景，通过采用UDEC 数值模拟实验对极薄、薄煤层保护层工作面开采高度、区段煤柱宽度与卸压效果之间的关系进行分析，为实现下部高瓦斯低透气性被保护煤层群的全面卸压增透提供理论依据。

1 工程概况

1.1 矿井概况

沙曲煤矿隶属山西省华晋焦煤公司，矿区距离县城约5 km。井田面积约135 km2，走向长度和倾斜宽度分别为22 km 和4.5～8 km。井田煤质主要为焦煤，含煤系数 12.4%，可采煤炭储量为 1 275.74 Mt，技术改造后矿井年产为5.0 Mt。矿井可采和局部可采煤层共9 层，设计山西煤层组和太原煤层组2 个开拓水平，煤层可采总厚15.4 m 左右。矿井瓦斯鉴定报告显示，沙曲煤矿属于低透高突危险性矿井，煤层透气性系数1.78～3.785 m2/（MPa2·d），相对和绝对涌出瓦斯量分别为 103.75 m3/t 和 479.91 m3/min。矿井北翼山西组 2#、3＋4#、5#煤层群最上部 2 号煤层原始含量较低，约为 10.65 m3/t，水平标高约＋400 m，将其作为首采煤层先行卸压开采，保障下部3＋4#、5#高瓦斯厚煤层的安全开采。

1.2 工作面概况

沙曲煤矿北翼2#薄煤层上保护层22201 工作面采用巷旁充填沿空留巷无煤柱开采技术，现场设计22201 机轨合一巷为沿空留巷，通过巷旁充填技术对巷道进行维护保留，作为下一个工作面的进风巷道，沿空留巷设计宽度为4.6 m，巷旁充填墙设计宽度2 m，22201 工作面沿空留巷布置示意图如图1。采用人工柔模方式充填沿空留巷，在工作面端头液压支护每前进1 个步距，紧跟端头支架后方采用木点柱或单体液压支柱对柔模袋两侧进行支护；在工作面端头液压支护每前进4 个步距，柔模袋外侧布置钢筋并挂设柔模袋，最后进行巷旁墙体充填工作。采用高强度布双层缝制柔性模板，其形状为矩形，长度为 2.4 m、宽度为 2.0 m、高度为 1.6 m。为满足巷旁充填墙体埋管抽采采空区瓦斯设计的要求，在布置3 个普通柔模袋之后，需布置1 个安装了瓦斯抽采管的柔模袋，瓦斯抽采管的直径为220 mm。

图1 22201 工作面沿空留巷布置示意图Fig.1 Layout of gob-side entry retaining of 22201 working face

沿空留巷巷旁充填的工艺流程为：移端头液压支架、清理、立模支护、布置柔模袋、搅拌输送、充填清洗、拆模。留巷充填材料的基本组分为：水泥、砂石骨料、粉煤灰、复合外剂和水，水泥、石子、黄沙、粉煤灰的质量配比为 650～700∶500～700∶500～700∶350～450，其中外加剂添加量为总量的 1.5%～5%。

2 半煤岩上保护层开采数值模拟

2.1 模型构建

以沙曲矿北翼山西组煤层群作为模拟实验背景原型，为分析保护层开采顶底板煤岩层变形和应力变化特征，此次实验研究选用UDEC4.0 离散元数值模拟软件[15-18]。根据现场22201 半煤岩工作面保护层倾斜剖面的综合柱状图，构建煤岩层倾斜数值模型，数值模拟倾斜力学模型如图2。设计模型长度为400 m、高度为80 m，模拟中2#煤层倾角平均为4°，通过截割煤层底板软弱岩层增加开采厚度至1.5 m，其下方 3＋4#、5#煤层分别在垂距 17.2、25.5 m 处，煤厚分别为 4.02、3.42 m。数值模拟中半煤岩上保护层工作面埋深约500 m，即模型上部施加12.5 MPa的上覆岩层自重载荷。构建模型水平两端边界以活动铰支约束，模型上端边界无约束、底端边界以固定铰支约束。煤岩力学参数见表1，煤岩节理力学参数见表2。

为了分析2#薄煤层倾斜方向留煤柱和不留煤柱开采时的下部煤层的应力和变形特征，进而分析半煤岩保护层无煤柱开采时下部煤层群的卸压效果，据此数值模拟设计了以下模拟方案：保护层煤柱宽度分别为 0、20、30、40 m。

图2 数值模拟倾斜力学模型Fig.2 The tilt mechanics model of numerical simulation

表1 煤岩力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

表2 煤岩节理力学参数Table 2 Mechanical parameters of coal and rock joints

2.2 保护层不同煤柱宽度模拟分析

在数值模型中的3+4#煤层中布置观测线，通过观测3+4#煤层的变形与应力变化，对比上保护层开采不留煤柱和留设煤柱时下方被保护煤层的卸压效果。22201 工作面采高1.5 m（含割底）时，在模型左侧水平坐标40 m 处进行开挖，沿煤层倾斜方向连续开采2 个工作面长度150 m 后，保护层留设区段煤柱宽度分别为 0、20、30、40 m 时，不同煤柱宽度3+4#被保护层膨胀变形率变化曲线如图3。

图3 不同煤柱宽度3+4#被保护层膨胀变形率变化曲线Fig.3 Curves of expansion deformation rate of 3+4# protected layer at different width of coal pillar

由图3 分析可知，当保护层煤柱宽度分别为0、20、30、40 m 时，遗留煤柱下方3+4#煤层卸压盲区（膨胀率小于3‰范围）的倾向宽度分别为0、44.2、52.2、64.3 m，即遗留煤柱下方被保护煤层中卸压盲区范围与煤柱宽度大致呈现线性增长趋势。当保护层无煤柱（宽度0 m）开采时，原煤柱下方被保护层中未卸压的区域消失。

通过建立直角坐标系，以不同煤柱宽度的4 种模拟方案对应被保护层卸压盲区宽度作4 个坐标点，再作4 个坐标点的拟合直线，保护层煤柱宽度与被保护层卸压盲区宽度之间关系如图4。分析得出：被保护煤层卸压盲区宽度随着保护层煤柱宽度的增加而增加，大致符合拟合直线的线性增长规律。

图4 保护层煤柱宽度与被保护层卸压盲区宽度之间关系Fig.4 The relationship between the width of coal pillar of protective layer and the width of blind area of pressure relief of protective layer

保护层不同煤柱宽度对应垂直应力分布云图如图5。由图5 分析可知，当22201 和22202 工作面之间留设区段煤柱时，在遗留煤柱下方煤岩层中将出现应力集中，且应力集中范围与煤柱宽度呈现线性增长趋势；当煤柱宽度为0 m 时，在原留设煤柱位置的下方被保护层中不发生垂直应力集中。根据数值模拟设计的4 种模拟方案，当煤柱宽度分别为40、30、20、0 m 时，煤柱下方 3+4#、5#煤层垂直应力的峰值分别为21、19、15、13 MPa，分别为原岩应力的 1.59、1.44、1.14、0.98 倍，即无煤柱开采时在原煤柱下方的被保护层消除了未卸压的区域，实现了下部煤层群的全面卸压。

3 结 论

1）针对典型低透高突煤层群开采的矿井，煤层群中不具备常规煤层（煤层厚度大于0.8 m）进行保护层开采条件，以及为了消除保护层遗漏煤柱下方被保护层中的卸压盲区，提出了极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采全面卸压技术。

图5 保护层不同煤柱宽度对应垂直应力分布云图Fig.5 The cloud map of vertical stress distribution corresponding to different coal pillar widths of protective layer

2）通过数值模拟结果表明：被保护层中卸压盲区宽度与保护层煤柱宽度大致符合线性增长趋势，拟合方程为y=17.09x-10.05，拟合度R2=0.896 8。当煤柱宽度0 m 时，原遗留煤柱下方被保护层中卸压盲区消失，不发生垂直应力集中。