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薄煤层上保护层无煤柱全面卸压开采的机理分析

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邓成海魏中举谢小平张鑫李松

摘要：针对薄煤层煤层瓦斯赋存高、低透气性且煤层具有突出危险性的特点，结合有关要求，对上保护层无煤柱开采全面卸压分析，并就上保护层开采下伏岩层裂隙分布特征进行分析。本文根据现场40403综采工作面的实际情况，理论计算了上保护层工作面留设区段煤柱时，下部7号、8号煤层中形成卸压盲区的面积，并分析了下伏煤岩层有效卸压保护范围。

关键词：薄煤层;上保护层;无煤柱开采;卸压开采

1 工程概况

某煤矿位于六盘水市钟山区大湾镇和威宁县东风镇境内，某煤矿全长约50km;矿区东到贵阳290km，北至重庆580km，西至昆明450km;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。某煤矿自投产以来，曾发生过多次煤与瓦斯突出现象，突出发生在11#煤层。

井田位于二塘向斜的北东翼浅部，开采煤层为二迭系上统龙潭煤组。含可采及局部可采煤层6层，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤层，总厚度为5.55～18.48米，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°，其余煤层均不可采，或仅个别点达到可采厚度，可采煤层的顶底板均含有泥质、砂质、粘土质等封闭性岩层，岩性极其松软，透气性差，为储存瓦斯创造了有利的条件。

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，形成应力集中区域（即卸压盲区），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，消除了卸压盲区，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，根据经验数据取卸压角75 o，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。

2 上保护层开采下伏岩层裂隙分布特征

某煤矿上部4号较薄煤层先行开采后，受到上部工作面采动影响的不同程度，在垂直方向上，工作面下伏煤岩层裂隙发育随深度的不同而不同，下伏煤岩层裂隙发育大致可以划分两大类：底鼓变形带和底鼓裂隙带，如下图2所示。

根据塑性破坏区域剖面图分析可知，在超前支承压力的作用下，保护层工作面底板塑性破坏范围深度的最大值为：

式中：Hmax为工作面底板塑性破坏范围深度的最大值，m;φ为内摩擦角，o;L为超前支承压力峰值距离工作面端头的距离，m。

根据某煤矿现场实际带入公式（2），计算得4号较薄煤层开采后底板破坏深度约为13.7m。

根据保护层卸压范围计算经验公式，上保护层开采的最大有效卸压保护垂距：

式中： ? ? ? 为上保护层开采垂直方向的理论卸压深度，开采急倾斜煤层时， <60m， ? ? ?缓倾斜或倾斜煤层时， ? ? ? <50m;β1为保护层开采的影响系数，当M≥M0时，β1=1，当M≤M0时，β1=M/M0;M0为上保護层的最小厚度，m;M为上保护工作面煤层的采高，m;β2为层间坚硬岩层所占的比例，用字母η表示，当η<50%时，β2=1，当η≥50%时，β2=1-0.4η/100。

将相关数据代入公式（4-3），计算得出某煤矿40403上保护层工作面在垂直方向上的最大有效卸压范围约为50m。综上分析得出：40403上保护层工作面开采后底鼓裂隙带深度约为13.7m，底鼓变形带深度约为47.4m。下方7号煤层距离4号煤层8.82m，处于底鼓裂隙带范围内;下方8号煤层距离4号煤层18.2m;处于底鼓变形带范围内;下方11号煤层距离4号煤层53.48m，已超过底鼓变形带的理论计算深度。所以40403上保护层工作面开采后，初步判别下部7号、8号煤层在垂直方向上处于卸压保护的有效范围内。

参考文献：

[1] 王应德.近距离上保护层开采瓦斯治理技术[J].煤炭科学技术，2008，36（7）：48-50.

[2] 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，（4）：85-86.

[3] 程远平，周德永，俞启香，等.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究[J].采矿与安全工程学报，2006，（3）：1-7.

[4] 吴财芳，曾勇，秦勇.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展[J]. 中国矿业大学学报，2004，33（2）：137-140.

作者简介：

邓成海（1997.09-），男，汉族，贵州省赫章县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

项目编号：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 ?贵州省六盘水市 553004）

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