薛湖煤礦區域防突措施方案選擇

　　薛湖煤礦區域防突措施方案選擇

　　承擔單位：河南神火集團薛湖煤礦

　　合作單位：中國礦業大學

　　日 期：2011年7月

　　1 區域瓦斯治理必要性

　　中國礦業大學礦山開采與安全教育部重點實驗室于2008年10月對薛湖煤礦主采二2煤層進行煤與瓦斯突出危險性鑒定，鑒定結果為：薛湖煤礦開采標高-786m以上的二2煤層為突出危險性煤層。

　　根據目前礦井實測數據，薛湖煤礦主采二2煤層,瓦斯含量為13.2m3/t，回采工作面瓦斯涌出量為7.22m3/t，掘進工作面2.08m3/min;二2煤層堅固性系數為0.22～0.4059，煤層瓦斯平均含量約為11.15m3/kg，瓦斯壓力約為1.2～1.7Mpa，礦井瓦斯抽放半徑為4m，煤層透氣性系數為0.0861m2/(Mpa2•d)，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數為1.38 d -1。根據中國礦業大學采樣鑒定報告，該煤層不自燃，且煤塵無爆炸危險性。二1煤層瓦斯壓力為2.7Mpa。

　　根據《防治煤與瓦斯突出規定》、《煤礦瓦斯抽采基本指標》及《煤礦安全規程》的相關規定，在進行采掘作業前，必須采取相應的區域瓦斯治理措施，確保回采工作面瓦斯壓力降低到0.74MPa或瓦斯含量降低到8m3/t以下。

　　區域性瓦斯治理是防治煤與瓦斯突出的根本措施，是礦井實行安全開采的根本保證。薛湖煤礦主采二2煤層瓦斯壓力及瓦斯含量均超過規定臨界值。為確保安全采掘，必須采取相應的區域瓦斯治理措施，使回采工作面瓦斯壓力降低到0.74MPa或瓦斯含量降低到8m3/t以下。

　　2 -780水平以上區域防突措施方案提出

　　《防治煤與瓦斯突出規定》第三章、《煤礦安全規程》第一百九十二條到一百九十四條、《國務院關于預防煤礦生產安全事故的特別規定》、《國有煤礦瓦斯治理規定》對區域瓦斯治理均有嚴格的規定。

　　《防治煤與瓦斯突出規定》第四十五條規定： 區域防突措施是指在突出煤層進行采掘前，對突出煤層較大范圍采取的防突措施。區域防突措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯兩類。

　　開采保護層分為上保護層和下保護層兩種方式。

　　預抽煤層瓦斯可采用的方式有：地面井預抽煤層瓦斯以及井下穿層鉆孔或順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔或穿層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽石門(含立、斜井等)揭煤區域煤層瓦斯、順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯等。

　　預抽煤層瓦斯區域防突措施應當按上述所列方式的優先順序選取，或一并采用多種方式的預抽煤層瓦斯措施。

　　根據煤層、瓦斯賦存及開采條件，區域防突措施必須優先選用開采保護層措施。在無保護層開采條件時可選取預抽煤層瓦斯作為區域防突措施，并按上述列舉的各類方式的優先順序選取適當方式的預抽煤層瓦斯措施。

　　3 -780水平以上區域防突措施方案選擇

　　根據《煤礦安全規程》及《防治煤與瓦斯突出規定》規定：在突出礦井開采時應優先選擇保護層開采或預抽煤層瓦斯等區域性防治突出的措施。突出礦井區域防突工作必須做到“多措并舉、可保必保、應抽必抽、抽采平衡、效果達標”。

　　針對薛湖煤礦主采二2煤層賦存情況及工作面實際情況，從《規定》中提出措施中選擇區域防突方案，并進行分析比較，制定最合理有效的區域瓦斯治理方案：

　　3.1 保護層開采區域防突措施

　　二1煤層上距二2煤層底板在25m-40m以內，煤層厚度在400-1200mm，屬于薄煤層，如果采用二1煤層作為下保護層開采，是開采二2煤最理想的區域治理措施，但根據2008年11月中國礦業大學提交的《薛湖煤礦二1煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》，二1煤測得最大瓦斯壓力為2.7MPa，相對于二2煤層瓦斯壓力有顯著的增加，該煤層具有突出危險。所以二2煤層不具備開采保護層的條件，二2煤層應按單一煤層治理。應采取適當的預抽措施，并采取《規定》中提出的優先順序對預抽措施進行選擇。

　　3.2 地面井預抽煤層瓦斯區域防突措施

　　《防治煤與瓦斯突出規定》第四十一條規定：突出危險區的煤層不具備開采保護層條件的，必須采用預抽煤層瓦斯區域防突措施并進行區域措施效果檢驗。

　　目前對于地面井預抽煤層瓦斯區域防突措施的地面井布置等相關技術參數、效果等還缺少必要的試驗考察，還不宜作為單獨使用的方式。

　　3.3 底板抽放巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施

　　3.3.1 底板抽放巷安全巖柱的數值模擬

　　在掘進頂、底板抽放巷時，巷道頂、底板巖柱處于一定的地應力和瓦斯壓力作用之下。此時如果巷道與突出煤層之間的巖柱厚度不足，在強大的地應力和瓦斯壓力作用下，就有可能發生瓦斯沖破頂底板巖柱突出的危險。因此確定合理的預留安全巖柱厚度，對于保證保護層內煤巷的安全高效掘進具有重要意義。目前在對巖土工程和采礦工程問題進行研究時，人們常采用理論分析、相似材料模型、數值模擬相結合的研究方法，其中數值模擬研究方法能較全面、較精確的獲得巷道圍巖的移動變形和應力變化，為進一步確定合理的安全巖柱厚度提供了基礎。

　　由于該礦尚未采取過頂、底板抽放巷的消突措施，現欲通過數值模擬的手段確定最小安全巖柱的厚度，為該礦布置抽放巷提供依據。

　　3.3.3.1模擬方案

　　依據二2煤層地層條件，對實際巷道考慮其主要因素，對模型進行簡化，建立的模型外部尺寸為40m×24m×38m。本次試驗模擬了巖柱厚度分別為1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m七種情況下的巷道掘進情況，因此各模型的網格劃分有所不同，圖31為3m巖柱厚度下的模型計算網格圖。

　　圖31 3m巖柱厚度計算網格圖

　　由于二2煤層為深部開采，埋深600～800m，因此模型采用人工邊界。根據礦上提供的地應力資料，本計算模型的邊界條件如下：在模型頂部采用應力邊界條件，即σV=27MPa。其他邊界使用位移邊界條件，即單約束邊界，在模型的地面約束所有Z方向的自由度，在平行于巷道走向的兩側約束X方向上的自由度，垂直于巷道走向的兩側施加Y方向的約束。

　　在所有采礦工程開始開挖和構造之前，都有一個原始應力狀態。FLAC3D中，通過設置初始條件(initial命令)來模擬這種原始狀態。由此，施加垂直應力SZZ=27MPa，考慮到最大水平應力垂直于巷道走向時，對巷道的影響最大，因此施加最大水平應力SXX=30.5MPa，方向垂直于巷道走向，施加最小水平應力SYY=19MPa，方向平行于巷道走向。考慮到二2煤層實測的瓦斯壓力較大，不能忽視瓦斯壓力對頂底板巖柱的影響，而瓦斯壓力實質上為瓦斯膨脹能的作用，因此把瓦斯壓力簡化為垂直于煤層頂板的力，作用在煤層的頂底板巖石上。

　　根據現場的掘進實際情況，模型每次掘進1m。

　　3.3.3.2 數值模擬結果分析

　　巷道掘進過程中圍巖應力會發生變化，頂底板會產生一定的位移量。因此，為了研究最小預留安全巖柱的厚度，本節選取了底板拉應力和位移量這兩個可行性的分析指標，同時結合巷道掘進后的圍巖塑性分布情況進行綜合判定。

　　圖32巖柱厚度7m時應力分布圖

　　圖34巖柱厚度6m時應力分布圖

　　圖33巖柱厚度7m時位移分布圖

　　圖35巖柱厚度6m時位移分布圖

　　圖36巖柱厚度5m時應力分布圖

　　圖37巖柱厚度5m時位移分布圖

　　圖38巖柱厚度4m時應力分布圖

　　圖39巖柱厚度4m時位移分布圖

　　圖310巖柱厚度3m時應力分布圖

　　圖311巖柱厚度3m時位移分布圖

　　圖312巖柱厚度2m時應力分布圖

　　圖3-13巖柱厚度2m時位移分布圖

　　圖314巖柱厚度1m時應力分布圖

　　圖3-15巖柱厚度1m時位移分布圖

　　如圖32～圖317所示，在地應力和瓦斯壓力共同作用下，最大應力集中區主要發生在巷道底角部，而最大拉應力出現在巷道底板的中部，因此主要的控制區是在巷道的底板，計算分別模擬了7m、6m、5m、4m、3m、2m、1m巖柱厚度下，巷道開挖后的變形情況。各情況下的最大拉應力和位移量如下：

　　表31巷道底板應力及變形量

　　巖柱厚度 7m 6m 5m 4m 3m 2m 1m

　　拉應力/105Pa 5.8109 6.6311 7.013 7.9036 9.8139 13.552 15.682

　　底板位移/10-3m 10.738 11.031 11.447 11.853 12.563 13.908 16.671

　　圖316位移量隨預留巖柱厚度變化圖

　　圖317拉應力隨預留巖柱厚度變化圖

　　從表31及圖3-16、圖317中我們可以看出，預留巖柱厚度大于6m時，巷道底板的拉應力和垂直方向位移量隨巖柱厚度的減小而緩慢增加;當預留巖柱在2～6m之間時，拉應力和位移量的增速有所增加，但絕對值增加不顯著;當預留巖柱小于2m時，拉應力急劇增加，當預留巖柱減少到1m時，拉應力達到1.67MPa，比6m時的拉應力增大了一倍多。因此，6m的厚度可以看成是底板巖柱穩定性的一個臨界厚度。

　　同時，圍巖的塑性變形也是影響圍巖穩定性的一個重要因素，巷道圍巖的塑性分布如圖3-18～圖321。

　　圖318巖柱厚度7m塑性松動區分布圖

　　圖319巖柱厚度6m塑性松動區分布圖

　　圖320巖柱厚度5m塑性松動區分布圖

　　圖321巖柱厚度4m塑性松動區分布圖

　　上圖可以看出，當巖柱厚度大于6m時，巷道塑性單元較少，且基本穩定。當巖柱厚度小于6m時，巷道底板的塑性松動單元急劇增加，當巖柱厚度為4m和1m時，底板下的二2煤也出現了較大范圍的塑性變形區。結合前文對底板拉應力和位移量的分析，從力學角度分析認為在圍巖均質完整情況下的煤巷掘進的最小預留防突巖柱厚度不應小于6m。考慮到在現實情況下圍巖的非均質性及巖體裂隙等因素的影響，在無地質構造和巖體較完整的情況下，現場掘進時預留安全巖柱厚度應不小于6m。為防止因采動過程中的震動引起煤層突破安全巖柱引起自行揭煤的事故，預留安全巖柱厚度不得小于2倍的最小安全厚度。

　　3.3.2底板抽放巷的不可執行性

　　在《防治煤與瓦斯突出規定》中按照其正常實施的安全性、效果可靠性排序列出，因此，在條件允許的情況下，應優先采用排在前面的方式，采用井下穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施。

　　二2煤層直接底板為細粒砂巖和砂質泥巖，且泥巖厚度較大，不利于底板穿層鉆孔的形成;礦井內二1煤層鉆孔穿見點72個，賦存于山西組下部，上距二2煤約20m左右，下距K3(弱含水)平均15m，距離L8灰巖(區域主要含水層)平均40m。二1煤層處于二疊系下統山西組下段地層，此段地層主要為粉、細砂巖互層，水平層理發育，含2~3層薄煤層，分別為二11和二12兩個分層，二11煤層相對發育較穩定，厚度較大，對比較可靠。其中下分層二11煤鉆孔61個，有7個孔有夾矸，尖滅為零點11個，占15.2%，可采點9個，占12.5%，不可采點52個占72.2%，煤厚0~1.78m，平均厚度0.58m。二11煤與二2煤層間距6.43~33.97m，大部分在20m左右，二12煤見煤孔44個，煤層厚度均小于0.8m不可采。見煤點中7個含夾矸，一般為1～2層，巖性為泥巖或砂質泥巖，煤層結構較簡單。由此可見，礦井二1煤發育不連續，層位不穩定，不能作為底板抽放巷的標志層。

　　由以上模擬結果顯示，在該區間內挖掘底板抽放巷，易造成瓦斯沖破巖柱而形成突出事故。又由于抽采鉆孔不能穿過含水層，因此在含水層下方亦不宜開挖抽放巷。所以開掘底板抽放巷實施穿層鉆孔預抽區域防突措施不可行。

　　3.4 頂板抽放巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施

　　由于二2煤層直接頂板為泥巖與砂巖互層，且泥巖厚度較大，不利于實施頂板穿層鉆孔，且頂板抽放鉆孔內積水問題無法解決，抽放效果差;所以二2煤層不易施工頂板瓦斯抽放巷。

　　3.5 順層長距離鉆孔預抽區段煤層瓦斯措施

　　運用FLUENT模擬軟件對長距離抽放鉆孔的抽放情況進行模擬，以下為模型的建立及模擬結果。

　　3.5.1 模 型

　　3.5.1.1 幾何模型

　　以現場所采用的一組瓦斯抽放鉆孔基本參數設置為參考，取鉆孔孔徑 0.108 m，封孔長度 10 m，鉆孔總長度 110 m。煤儲層沿鉆口方向距離為 200m，徑向長度是 200 m。

　　3.5.1.2 模型選擇和邊界條件

　　計算中，給定抽放出口一個負壓，抽出口壓力分別取-20kPa。煤層壓力2MPa，煤層給定多孔介質滲流邊界條件，指定煤層透氣性系數。湍流計算選用 k-ε 模型，瓦斯在煤層中流動用多孔介質模型，其內部流動由 Darcy 公式確定：

　　式中，Δp 為滲流壓力降;μ 為氣體的粘性系數;k稱為滲透率，取決于煤層的幾何結構, 計算中煤層透氣性系數取0.0861m2/(Mpa2•d);v是瓦斯流動速度;δ為瓦斯流過的距離。

　　3.5.1.3 網格劃分

　　下圖是界面網格示意圖。整個計算區域采用了結構化網格，考慮到鉆孔附近煤層壓力梯度比較大，對此處網格進行了加密。

　　3.5.2 結果分析

　　3.5.2.1 煤層瓦斯抽放過程分析

　　圖 2 是煤層透氣性系數取0.0861m2/(Mpa2•d)，抽放負壓20kPa 情況下，不同抽放階段煤層壓力分布。隨著抽放時間增加，抽放影響區域逐漸增大。

　　2天

　　8天

　　30天

　　40天

　　圖 2 煤儲層壓力分布隨抽放時間變化(圖中壓力單位是 Pa)

　　從以上的模擬結果可以看出，隨著抽采時間的推移，鉆孔抽采影響范圍逐漸增大，第8天開始，貼近煤壁的煤體瓦斯壓力開始降低，瓦斯逐漸抽出;30天左右，孔口附近壓力變化梯度較鉆孔內部壓力變化梯度大，并且抽放影響區域已擴展至煤壁，說明在抽放的影響下，巷道內的空氣可以透過煤壁，穿過抽放影響區域的煤體從而進入抽放孔，經抽放管路抽出，這將會影響到抽出瓦斯的濃度和抽采瓦斯量;40天左右時，從圖中可以看出，以鉆孔中間的平面為分界面，靠近壁面一側抽采影響范圍大于遠離壁面一側，且隨著鉆孔深度的增加，影響范圍越來越小，若采取順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯打長距離鉆孔(孔深>150m)，會面臨鉆孔深部達不到有效的抽放影響范圍，若保護區域為待掘進巷道，在該范圍內達不到瓦斯抽采降低突出危險性的效果，再加上二2煤層起伏較大，不易形成長直鉆孔，且該煤層煤質松軟，容易出現塌孔等現象，導致鉆孔不易形成。因此，針對薛湖煤礦二2煤層瓦斯地質條件，將不采用順層長距離鉆孔預抽區段煤層瓦斯方法。

　　3.6順層鉆孔鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯措施

　　回采工作面區域防突技術措施采用風、機巷施工順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯，抽放鉆孔超出工作面停采線以外20m以上，孔徑Φ94mm，孔間距4～6m，孔深設計85-95m，風、機巷交叉15m。封孔段深度16m以上。風、機巷抽放管與東風井地面抽放泵進行聯網抽放，抽放孔采用直徑50mm聚乙烯管配合聚胺脂封孔或樹脂封孔器進行封孔抽放。從3.4節中的數值模擬結果可以看出，孔深較合理，單孔抽放能夠達到足夠的影響范圍，且孔間距合理，因此，該方法適合回采區域煤層。

　　3.7 掘進巷道順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

　　該方法適合于煤巷掘進過程，從3.4節的模擬結果顯示，可以對工作面前方煤體中的瓦斯進行有效地抽放，因此，此方法適合于掘進工作面的區域防突。

　　4 預抽措施的確定

　　因此，按照優先順序原則，針對薛湖煤礦實際的瓦斯地質條件，并結合《防治煤與瓦斯突出規定》的具體要求，對-780水平以上區域防突措施的選擇如下：石門揭煤采用穿層鉆孔預抽石門(含立、斜井等)揭煤區域煤層瓦斯;煤巷掘進工作面采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯;采煤工作面采用順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯的措施。