薄煤層保護(hù)層開(kāi)采卸壓效果的數(shù)值模擬分析

宋義華 謝小平 管育春 張權(quán)坤

摘 要：針對(duì)貴州高瓦斯煤層群安全高效開(kāi)采的問(wèn)題，據(jù)此盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)較薄煤層上保護(hù)層40403工作面為現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)，選擇采用數(shù)值模擬軟件UDEC4.0來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，模擬煤層群在近距離條件下較薄煤層開(kāi)采上保護(hù)層過(guò)程中煤層的頂?shù)装逶诿簬r層的破裂情況和移動(dòng)規(guī)律，以及在隨著薄煤層上保護(hù)層開(kāi)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(wú)煤柱開(kāi)采時(shí)下覆煤巖層的卸壓效果。

關(guān)鍵詞：薄煤層;無(wú)煤柱開(kāi)采;卸壓效果;數(shù)值模擬

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

1 工程概況

以設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/年的貴州盛遠(yuǎn)煤礦為例，貴州盛遠(yuǎn)煤礦位于六盤(pán)水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)，礦井的服務(wù)年限為79年。2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層，這6層為可采及局部可采煤層。對(duì)貴州盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)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(zhǎng)度，118米為平均傾斜長(zhǎng)度。主要開(kāi)采盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)較薄煤層，4號(hào)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，，4號(hào)煤層的厚度在1.07米到2.47米之間， 平均煤厚在1.66米左右，容重為1.5t/m3，產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，所受斷層的影響較小。4號(hào)煤層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;底板則主要為灰色砂質(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。

2 保護(hù)層開(kāi)采卸壓效果數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

模型建立采用UDEC4.0數(shù)值模擬軟件來(lái)進(jìn)行，盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)煤層為現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，以盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)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(lái)進(jìn)行模擬開(kāi)挖試驗(yàn)，以此來(lái)建立煤巖層在縱向剖面上的數(shù)值模擬計(jì)算模型。工作面傾向模型長(zhǎng)度是400米、寬度是100米，4號(hào)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(duì)其施加8.1MPa的上覆巖層的自重載荷。

2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

此次數(shù)值模擬計(jì)算模型的目的就是對(duì)比分析貴州盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)較薄煤層上保護(hù)層40403工作面在開(kāi)采時(shí)，在留設(shè)不同寬度的區(qū)段煤柱和不留設(shè)區(qū)段煤柱這兩種情況下，根據(jù)上保護(hù)層工作面下部煤巖層所受的垂直位移變形規(guī)律和垂直應(yīng)力變化規(guī)律的影響，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(kāi)采時(shí)，盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)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(kāi)采時(shí)不留設(shè)區(qū)段煤柱;（2）在工作面開(kāi)采時(shí)留設(shè)20米寬的區(qū)段煤柱;（3）在工作面開(kāi)采時(shí)留設(shè)30米寬的區(qū)段煤柱。

2.3 卸壓效果分析

上保護(hù)層工作面下部煤層所受垂直位移變形情況（圖1所示）和垂直應(yīng)力變化情況（圖2所示）。

數(shù)值模擬結(jié)果分析如下：

（1）下部煤層位移變形分析。當(dāng)在上保護(hù)層工作面開(kāi)采不留設(shè)煤柱的情況時(shí)，在工作面原來(lái)留設(shè)煤柱位置下方的7號(hào)、8號(hào)被保護(hù)層就發(fā)生了在縱向的膨脹變形，進(jìn)而在工作面下部的7號(hào)、8號(hào)煤層最大縱向的膨脹變形率在2.03‰～2.13‰之間;而留設(shè)寬度20米的區(qū)段煤柱和30米的區(qū)段煤柱時(shí)，煤柱下方的7號(hào)、8號(hào)煤層的最大壓縮變形率約在5.82‰～7.78‰ 之間。

（2）下被保護(hù)層應(yīng)力變化分析。根據(jù)數(shù)值模擬出的結(jié)果可以看出，當(dāng)在上保護(hù)層工作面開(kāi)采過(guò)程中留設(shè)寬度30米的區(qū)段煤柱時(shí)，在工作面留設(shè)煤柱下方的7號(hào)、8號(hào)煤層垂直應(yīng)力分別為11.7MP、11.57MP，大約是原巖應(yīng)力的1.44倍左右和1.43倍左右;則在開(kāi)采時(shí)不留設(shè)區(qū)段煤柱，工作面原來(lái)留設(shè)煤柱位置下方的7號(hào)、8號(hào)煤層垂直應(yīng)力分別為-2.94MP和-3.12MP，即貴州盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)較薄煤層上保護(hù)層40403工作面在原來(lái)留設(shè)煤柱位置下方的7號(hào)、8號(hào)煤層消除了應(yīng)力集中區(qū)，實(shí)現(xiàn)了貴州盛遠(yuǎn)煤礦4號(hào)較薄煤層上保護(hù)層工作面下部的7號(hào)、8號(hào)煤層全面卸壓，降低了下部煤層的突出危險(xiǎn)性。

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國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810977010）

作者簡(jiǎn)介：宋義華（1995-），男，貴州正安人，本科，研究方向：采礦工程。

*為通訊作者