謝小平，劉曉寧，梁敏富

（1.六盤水師范學院 礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553004；2.山西煤礦安全培訓中心，山西 太原 030006；3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

近年，國內(nèi)外大量工程技術(shù)人員和科研工作者致力于極薄、薄煤層的開采[1-7]，且研究成果[8-9]大多針對極薄、薄煤層無煤柱開采巷道支護、保護層開采覆巖裂隙、應力場以及卸壓效果提出理論方法和技術(shù)措施，但對于采用極薄、薄煤層半煤巖工作面保護層無煤柱開采技術(shù)來解決極薄、薄煤層煤炭資源開采和煤層群全面卸壓防突相結(jié)合的研究較少。極薄、薄煤層保護層開采時，遺留煤柱下方被保護層中未卸壓的范圍內(nèi)將出現(xiàn)煤體壓縮、集中應力、瓦斯含量和壓力增大[10-14]，致使后期被保護層在開采卸壓盲區(qū)范圍區(qū)段煤層時安全隱患增大。為此以典型高突低透氣性煤層群開采礦井為實驗背景，通過采用UDEC 數(shù)值模擬實驗對極薄、薄煤層保護層工作面開采高度、區(qū)段煤柱寬度與卸壓效果之間的關(guān)系進行分析，為實現(xiàn)下部高瓦斯低透氣性被保護煤層群的全面卸壓增透提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

沙曲煤礦隸屬山西省華晉焦煤公司，礦區(qū)距離縣城約5 km。井田面積約135 km2，走向長度和傾斜寬度分別為22 km 和4.5～8 km。井田煤質(zhì)主要為焦煤，含煤系數(shù) 12.4%，可采煤炭儲量為 1 275.74 Mt，技術(shù)改造后礦井年產(chǎn)為5.0 Mt。礦井可采和局部可采煤層共9 層，設(shè)計山西煤層組和太原煤層組2 個開拓水平，煤層可采總厚15.4 m 左右。礦井瓦斯鑒定報告顯示，沙曲煤礦屬于低透高突危險性礦井，煤層透氣性系數(shù)1.78～3.785 m2/（MPa2·d），相對和絕對涌出瓦斯量分別為 103.75 m3/t 和 479.91 m3/min。礦井北翼山西組 2#、3＋4#、5#煤層群最上部 2 號煤層原始含量較低，約為 10.65 m3/t，水平標高約＋400 m，將其作為首采煤層先行卸壓開采，保障下部3＋4#、5#高瓦斯厚煤層的安全開采。

1.2 工作面概況

沙曲煤礦北翼2#薄煤層上保護層22201 工作面采用巷旁充填沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，現(xiàn)場設(shè)計22201 機軌合一巷為沿空留巷，通過巷旁充填技術(shù)對巷道進行維護保留，作為下一個工作面的進風巷道，沿空留巷設(shè)計寬度為4.6 m，巷旁充填墻設(shè)計寬度2 m，22201 工作面沿空留巷布置示意圖如圖1。采用人工柔模方式充填沿空留巷，在工作面端頭液壓支護每前進1 個步距，緊跟端頭支架后方采用木點柱或單體液壓支柱對柔模袋兩側(cè)進行支護；在工作面端頭液壓支護每前進4 個步距，柔模袋外側(cè)布置鋼筋并掛設(shè)柔模袋，最后進行巷旁墻體充填工作。采用高強度布雙層縫制柔性模板，其形狀為矩形，長度為 2.4 m、寬度為 2.0 m、高度為 1.6 m。為滿足巷旁充填墻體埋管抽采采空區(qū)瓦斯設(shè)計的要求，在布置3 個普通柔模袋之后，需布置1 個安裝了瓦斯抽采管的柔模袋，瓦斯抽采管的直徑為220 mm。

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

沿空留巷巷旁充填的工藝流程為：移端頭液壓支架、清理、立模支護、布置柔模袋、攪拌輸送、充填清洗、拆模。留巷充填材料的基本組分為：水泥、砂石骨料、粉煤灰、復合外劑和水，水泥、石子、黃沙、粉煤灰的質(zhì)量配比為 650～700∶500～700∶500～700∶350～450，其中外加劑添加量為總量的 1.5%～5%。

2 半煤巖上保護層開采數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

以沙曲礦北翼山西組煤層群作為模擬實驗背景原型，為分析保護層開采頂?shù)装迕簬r層變形和應力變化特征，此次實驗研究選用UDEC4.0 離散元數(shù)值模擬軟件[15-18]。根據(jù)現(xiàn)場22201 半煤巖工作面保護層傾斜剖面的綜合柱狀圖，構(gòu)建煤巖層傾斜數(shù)值模型，數(shù)值模擬傾斜力學模型如圖2。設(shè)計模型長度為400 m、高度為80 m，模擬中2#煤層傾角平均為4°，通過截割煤層底板軟弱巖層增加開采厚度至1.5 m，其下方 3＋4#、5#煤層分別在垂距 17.2、25.5 m 處，煤厚分別為 4.02、3.42 m。數(shù)值模擬中半煤巖上保護層工作面埋深約500 m，即模型上部施加12.5 MPa的上覆巖層自重載荷。構(gòu)建模型水平兩端邊界以活動鉸支約束，模型上端邊界無約束、底端邊界以固定鉸支約束。煤巖力學參數(shù)見表1，煤巖節(jié)理力學參數(shù)見表2。

為了分析2#薄煤層傾斜方向留煤柱和不留煤柱開采時的下部煤層的應力和變形特征，進而分析半煤巖保護層無煤柱開采時下部煤層群的卸壓效果，據(jù)此數(shù)值模擬設(shè)計了以下模擬方案：保護層煤柱寬度分別為 0、20、30、40 m。

圖2 數(shù)值模擬傾斜力學模型Fig.2 The tilt mechanics model of numerical simulation

表1 煤巖力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

表2 煤巖節(jié)理力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal and rock joints

2.2 保護層不同煤柱寬度模擬分析

在數(shù)值模型中的3+4#煤層中布置觀測線，通過觀測3+4#煤層的變形與應力變化，對比上保護層開采不留煤柱和留設(shè)煤柱時下方被保護煤層的卸壓效果。22201 工作面采高1.5 m（含割底）時，在模型左側(cè)水平坐標40 m 處進行開挖，沿煤層傾斜方向連續(xù)開采2 個工作面長度150 m 后，保護層留設(shè)區(qū)段煤柱寬度分別為 0、20、30、40 m 時，不同煤柱寬度3+4#被保護層膨脹變形率變化曲線如圖3。

圖3 不同煤柱寬度3+4#被保護層膨脹變形率變化曲線Fig.3 Curves of expansion deformation rate of 3+4# protected layer at different width of coal pillar

由圖3 分析可知，當保護層煤柱寬度分別為0、20、30、40 m 時，遺留煤柱下方3+4#煤層卸壓盲區(qū)（膨脹率小于3‰范圍）的傾向?qū)挾确謩e為0、44.2、52.2、64.3 m，即遺留煤柱下方被保護煤層中卸壓盲區(qū)范圍與煤柱寬度大致呈現(xiàn)線性增長趨勢。當保護層無煤柱（寬度0 m）開采時，原煤柱下方被保護層中未卸壓的區(qū)域消失。

通過建立直角坐標系，以不同煤柱寬度的4 種模擬方案對應被保護層卸壓盲區(qū)寬度作4 個坐標點，再作4 個坐標點的擬合直線，保護層煤柱寬度與被保護層卸壓盲區(qū)寬度之間關(guān)系如圖4。分析得出：被保護煤層卸壓盲區(qū)寬度隨著保護層煤柱寬度的增加而增加，大致符合擬合直線的線性增長規(guī)律。

圖4 保護層煤柱寬度與被保護層卸壓盲區(qū)寬度之間關(guān)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

保護層不同煤柱寬度對應垂直應力分布云圖如圖5。由圖5 分析可知，當22201 和22202 工作面之間留設(shè)區(qū)段煤柱時，在遺留煤柱下方煤巖層中將出現(xiàn)應力集中，且應力集中范圍與煤柱寬度呈現(xiàn)線性增長趨勢；當煤柱寬度為0 m 時，在原留設(shè)煤柱位置的下方被保護層中不發(fā)生垂直應力集中。根據(jù)數(shù)值模擬設(shè)計的4 種模擬方案，當煤柱寬度分別為40、30、20、0 m 時，煤柱下方 3+4#、5#煤層垂直應力的峰值分別為21、19、15、13 MPa，分別為原巖應力的 1.59、1.44、1.14、0.98 倍，即無煤柱開采時在原煤柱下方的被保護層消除了未卸壓的區(qū)域，實現(xiàn)了下部煤層群的全面卸壓。

3 結(jié) 論

1）針對典型低透高突煤層群開采的礦井，煤層群中不具備常規(guī)煤層（煤層厚度大于0.8 m）進行保護層開采條件，以及為了消除保護層遺漏煤柱下方被保護層中的卸壓盲區(qū)，提出了極薄、薄煤層半煤巖保護層無煤柱開采全面卸壓技術(shù)。

圖5 保護層不同煤柱寬度對應垂直應力分布云圖Fig.5 The cloud map of vertical stress distribution corresponding to different coal pillar widths of protective layer

2）通過數(shù)值模擬結(jié)果表明：被保護層中卸壓盲區(qū)寬度與保護層煤柱寬度大致符合線性增長趨勢，擬合方程為y=17.09x-10.05，擬合度R2=0.896 8。當煤柱寬度0 m 時，原遺留煤柱下方被保護層中卸壓盲區(qū)消失，不發(fā)生垂直應力集中。