薄煤层无煤柱开采全面卸压数值模拟的方案设计

宋义华 谢小平 管育春 张权坤

摘 要：针对高瓦斯煤层群安全高效开采的问题，为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，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，采用UDEC数值模拟软件，设计了薄煤层无煤柱开采数值模拟方案。

关键词：薄煤层;无煤柱开采;全面卸压;数值模拟

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

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号较薄煤層，4号煤层厚度在1.07米到2.47米之间， 平均煤厚在1.66米左右，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，容重1.5t/m3，产状较稳定，受断层影响较小。4号煤层底板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;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。

2 无煤柱开采煤层全面卸压理论基础

贵州盛远煤矿具有高瓦斯、透气性低的特点，它突出的危险性很高。以盛远煤矿4号较薄煤层为现场依据，为提高4号煤层下部7号、8号、9号、11号煤层瓦斯的预先抽采效果，以及为实现在7号、8号、9号、11号煤层中对煤层的突出危险性进行卸压防突，所以研究确定了对贵州盛远煤矿4号较薄煤层进行上保护层无煤柱开采，所采用技术为切顶卸压一次成巷技术，一次成巷具有安全、速度快、质量好、成本低等特点。以此来提高下部7号、8号、9号、11号煤层预抽瓦斯的效果和实现下部突出危险性煤层的卸压防突。

根据图1（a）、（b）分析可得，若上保护层工作面留设区段煤柱，由于采空区受应力变化规律的影响，而使采空部分的下方煤层的应力变化得到下降，进而在下方煤层形成了具有卸压效果一定范围区域;而在留设区段煤柱下方的煤层受应力变化的规律较大，故应力就会向煤柱下方煤层集中，所受到的应力也会大大升高，应力升高的这一区域叫做应力集中区（又称卸压盲区）。

3 薄煤层上保护层开采数值模拟

3.1 模型建立

模型建立采用UDEC4.0数值模拟软件进行，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，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，以此来建立煤岩层在纵向剖面上的数值模拟计算模型。

3.2 数值模拟方案设计

此次数值模拟计算模型的目的是对比分析盛远煤矿4号较薄煤层上保护层40403工作面上保护层工作面在留设不同宽度的区段煤柱和不留设区段煤柱时，根据工作面下部煤岩层的垂直位移变形规律和垂直应力变化的规律，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20m宽的区段煤柱;（3）在工作面开采时留设30m宽的区段煤柱。

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.