薛湖煤礦區(qū)域防突措施方案選擇

　　薛湖煤礦區(qū)域防突措施方案選擇

　　承擔(dān)單位：河南神火集團(tuán)薛湖煤礦

　　合作單位：中國礦業(yè)大學(xué)

　　日 期：2011年7月

　　1 區(qū)域瓦斯治理必要性

　　中國礦業(yè)大學(xué)礦山開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2008年10月對(duì)薛湖煤礦主采二2煤層進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定，鑒定結(jié)果為：薛湖煤礦開采標(biāo)高-786m以上的二2煤層為突出危險(xiǎn)性煤層。

　　根據(jù)目前礦井實(shí)測數(shù)據(jù)，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(jìn)工作面2.08m3/min;二2煤層堅(jiān)固性系數(shù)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(shù)為0.0861m2/(Mpa2•d)，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.38 d -1。根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)采樣鑒定報(bào)告，該煤層不自燃，且煤塵無爆炸危險(xiǎn)性。二1煤層瓦斯壓力為2.7Mpa。

　　根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》、《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》及《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行采掘作業(yè)前，必須采取相應(yīng)的區(qū)域瓦斯治理措施，確?；夭晒ぷ髅嫱咚箟毫档偷?.74MPa或瓦斯含量降低到8m3/t以下。

　　區(qū)域性瓦斯治理是防治煤與瓦斯突出的根本措施，是礦井實(shí)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(guī)定臨界值。為確保安全采掘，必須采取相應(yīng)的區(qū)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(qū)域防突措施方案提出

　　《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第三章、《煤礦安全規(guī)程》第一百九十二條到一百九十四條、《國務(wù)院關(guān)于預(yù)防煤礦生產(chǎn)安全事故的特別規(guī)定》、《國有煤礦瓦斯治理規(guī)定》對(duì)區(qū)域瓦斯治理均有嚴(yán)格的規(guī)定。

　　《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十五條規(guī)定： 區(qū)域防突措施是指在突出煤層進(jìn)行采掘前，對(duì)突出煤層較大范圍采取的防突措施。區(qū)域防突措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯兩類。

　　開采保護(hù)層分為上保護(hù)層和下保護(hù)層兩種方式。

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

　　預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)按上述所列方式的優(yōu)先順序選取，或一并采用多種方式的預(yù)抽煤層瓦斯措施。

　　根據(jù)煤層、瓦斯賦存及開采條件，區(qū)域防突措施必須優(yōu)先選用開采保護(hù)層措施。在無保護(hù)層開采條件時(shí)可選取預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，并按上述列舉的各類方式的優(yōu)先順序選取適當(dāng)方式的預(yù)抽煤層瓦斯措施。

　　3 -780水平以上區(qū)域防突措施方案選擇

　　根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定：在突出礦井開采時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇保護(hù)層開采或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性防治突出的措施。突出礦井區(qū)域防突工作必須做到“多措并舉、可保必保、應(yīng)抽必抽、抽采平衡、效果達(dá)標(biāo)”。

　　針對(duì)薛湖煤礦主采二2煤層賦存情況及工作面實(shí)際情況，從《規(guī)定》中提出措施中選擇區(qū)域防突方案，并進(jìn)行分析比較，制定最合理有效的區(qū)域瓦斯治理方案：

　　3.1 保護(hù)層開采區(qū)域防突措施

　　二1煤層上距二2煤層底板在25m-40m以內(nèi)，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(hù)層開采，是開采二2煤最理想的區(qū)域治理措施，但根據(jù)2008年11月中國礦業(yè)大學(xué)提交的《薛湖煤礦二1煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》，二1煤測得最大瓦斯壓力為2.7MPa，相對(duì)于二2煤層瓦斯壓力有顯著的增加，該煤層具有突出危險(xiǎn)。所以二2煤層不具備開采保護(hù)層的條件，二2煤層應(yīng)按單一煤層治理。應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)抽措施，并采取《規(guī)定》中提出的優(yōu)先順序?qū)︻A(yù)抽措施進(jìn)行選擇。

　　3.2 地面井預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施

　　《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十一條規(guī)定：突出危險(xiǎn)區(qū)的煤層不具備開采保護(hù)層條件的，必須采用預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施并進(jìn)行區(qū)域措施效果檢驗(yàn)。

　　目前對(duì)于地面井預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的地面井布置等相關(guān)技術(shù)參數(shù)、效果等還缺少必要的試驗(yàn)考察，還不宜作為單獨(dú)使用的方式。

　　3.3 底板抽放巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施

　　3.3.1 底板抽放巷安全巖柱的數(shù)值模擬

　　在掘進(jìn)頂、底板抽放巷時(shí)，巷道頂、底板巖柱處于一定的地應(yīng)力和瓦斯壓力作用之下。此時(shí)如果巷道與突出煤層之間的巖柱厚度不足，在強(qiáng)大的地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下，就有可能發(fā)生瓦斯沖破頂?shù)装鍘r柱突出的危險(xiǎn)。因此確定合理的預(yù)留安全巖柱厚度，對(duì)于保證保護(hù)層內(nèi)煤巷的安全高效掘進(jìn)具有重要意義。目前在對(duì)巖土工程和采礦工程問題進(jìn)行研究時(shí)，人們常采用理論分析、相似材料模型、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，其中數(shù)值模擬研究方法能較全面、較精確的獲得巷道圍巖的移動(dòng)變形和應(yīng)力變化，為進(jìn)一步確定合理的安全巖柱厚度提供了基礎(chǔ)。

　　由于該礦尚未采取過頂、底板抽放巷的消突措施，現(xiàn)欲通過數(shù)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(jù)。

　　3.3.3.1模擬方案

　　依據(jù)二2煤層地層條件，對(duì)實(shí)際巷道考慮其主要因素，對(duì)模型進(jìn)行簡化，建立的模型外部尺寸為40m×24m×38m。本次試驗(yàn)?zāi)M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(jìn)情況，因此各模型的網(wǎng)格劃分有所不同，圖31為3m巖柱厚度下的模型計(jì)算網(wǎng)格圖。

　　圖31 3m巖柱厚度計(jì)算網(wǎng)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(jù)礦上提供的地應(yīng)力資料，本計(jì)算模型的邊界條件如下：在模型頂部采用應(yīng)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(cè)約束X方向上的自由度，垂直于巷道走向的兩側(cè)施加Y方向的約束。

　　在所有采礦工程開始開挖和構(gòu)造之前，都有一個(gè)原始應(yīng)力狀態(tài)。FLAC3D中，通過設(shè)置初始條件(initial命令)來模擬這種原始狀態(tài)。由此，施加垂直應(yīng)力SZZ=27MPa，考慮到最大水平應(yīng)力垂直于巷道走向時(shí)，對(duì)巷道的影響最大，因此施加最大水平應(yīng)力SXX=30.5MPa，方向垂直于巷道走向，施加最小水平應(yīng)力SYY=19MPa，方向平行于巷道走向?？紤]到二2煤層實(shí)測的瓦斯壓力較大，不能忽視瓦斯壓力對(duì)頂?shù)装鍘r柱的影響，而瓦斯壓力實(shí)質(zhì)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?shù)装鍘r石上。

　　根據(jù)現(xiàn)場的掘進(jìn)實(shí)際情況，模型每次掘進(jìn)1m。

　　3.3.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

　　巷道掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，頂?shù)装鍟?huì)產(chǎn)生一定的位移量。因此，為了研究最小預(yù)留安全巖柱的厚度，本節(jié)選取了底板拉應(yīng)力和位移量這兩個(gè)可行性的分析指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合巷道掘進(jìn)后的圍巖塑性分布情況進(jìn)行綜合判定。

　　圖32巖柱厚度7m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖34巖柱厚度6m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖33巖柱厚度7m時(shí)位移分布圖

　　圖35巖柱厚度6m時(shí)位移分布圖

　　圖36巖柱厚度5m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖37巖柱厚度5m時(shí)位移分布圖

　　圖38巖柱厚度4m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖39巖柱厚度4m時(shí)位移分布圖

　　圖310巖柱厚度3m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖311巖柱厚度3m時(shí)位移分布圖

　　圖312巖柱厚度2m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖3-13巖柱厚度2m時(shí)位移分布圖

　　圖314巖柱厚度1m時(shí)應(yīng)力分布圖

　　圖3-15巖柱厚度1m時(shí)位移分布圖

　　如圖32～圖317所示，在地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下，最大應(yīng)力集中區(qū)主要發(fā)生在巷道底角部，而最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在巷道底板的中部，因此主要的控制區(qū)是在巷道的底板，計(jì)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(yīng)力和位移量如下：

　　表31巷道底板應(yīng)力及變形量

　　巖柱厚度 7m 6m 5m 4m 3m 2m 1m

　　拉應(yīng)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(yù)留巖柱厚度變化圖

　　圖317拉應(yīng)力隨預(yù)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(yù)留巖柱厚度大于6m時(shí)，巷道底板的拉應(yīng)力和垂直方向位移量隨巖柱厚度的減小而緩慢增加;當(dāng)預(yù)留巖柱在2～6m之間時(shí)，拉應(yīng)力和位移量的增速有所增加，但絕對(duì)值增加不顯著;當(dāng)預(yù)留巖柱小于2m時(shí)，拉應(yīng)力急劇增加，當(dāng)預(yù)留巖柱減少到1m時(shí)，拉應(yīng)力達(dá)到1.67MPa，比6m時(shí)的拉應(yīng)力增大了一倍多。因此，6m的厚度可以看成是底板巖柱穩(wěn)定性的一個(gè)臨界厚度。

　　同時(shí)，圍巖的塑性變形也是影響圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)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(dòng)區(qū)分布圖

　　圖319巖柱厚度6m塑性松動(dòng)區(qū)分布圖

　　圖320巖柱厚度5m塑性松動(dòng)區(qū)分布圖

　　圖321巖柱厚度4m塑性松動(dòng)區(qū)分布圖

　　上圖可以看出，當(dāng)巖柱厚度大于6m時(shí)，巷道塑性單元較少，且基本穩(wěn)定。當(dāng)巖柱厚度小于6m時(shí)，巷道底板的塑性松動(dòng)單元急劇增加，當(dāng)巖柱厚度為4m和1m時(shí)，底板下的二2煤也出現(xiàn)了較大范圍的塑性變形區(qū)。結(jié)合前文對(duì)底板拉應(yīng)力和位移量的分析，從力學(xué)角度分析認(rèn)為在圍巖均質(zhì)完整情況下的煤巷掘進(jìn)的最小預(yù)留防突巖柱厚度不應(yīng)小于6m。考慮到在現(xiàn)實(shí)情況下圍巖的非均質(zhì)性及巖體裂隙等因素的影響，在無地質(zhì)構(gòu)造和巖體較完整的情況下，現(xiàn)場掘進(jìn)時(shí)預(yù)留安全巖柱厚度應(yīng)不小于6m。為防止因采動(dòng)過程中的震動(dòng)引起煤層突破安全巖柱引起自行揭煤的事故，預(yù)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(zhí)行性

　　在《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按照其正常實(shí)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(yīng)優(yōu)先采用排在前面的方式，采用井下穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施。

　　二2煤層直接底板為細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，且泥巖厚度較大，不利于底板穿層鉆孔的形成;礦井內(nèi)二1煤層鉆孔穿見點(diǎn)72個(gè)，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?guī)r(區(qū)域主要含水層)平均40m。二1煤層處于二疊系下統(tǒng)山西組下段地層，此段地層主要為粉、細(xì)砂巖互層，水平層理發(fā)育，含2~3層薄煤層，分別為二11和二12兩個(gè)分層，二11煤層相對(duì)發(fā)育較穩(wěn)定，厚度較大，對(duì)比較可靠。其中下分層二11煤鉆孔61個(gè)，有7個(gè)孔有夾矸，尖滅為零點(diǎn)11個(gè)，占15.2%，可采點(diǎn)9個(gè)，占12.5%，不可采點(diǎn)52個(gè)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(gè)，煤層厚度均小于0.8m不可采。見煤點(diǎn)中7個(gè)含夾矸，一般為1～2層，巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。由此可見，礦井二1煤發(fā)育不連續(xù)，層位不穩(wěn)定，不能作為底板抽放巷的標(biāo)志層。

　　由以上模擬結(jié)果顯示，在該區(qū)間內(nèi)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(shí)施穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域防突措施不可行。

　　3.4 頂板抽放巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)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(shí)施頂板穿層鉆孔，且頂板抽放鉆孔內(nèi)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(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯措施

　　運(yùn)用FLUENT模擬軟件對(duì)長距離抽放鉆孔的抽放情況進(jìn)行模擬，以下為模型的建立及模擬結(jié)果。

　　3.5.1 模 型

　　3.5.1.1 幾何模型

　　以現(xiàn)場所采用的一組瓦斯抽放鉆孔基本參數(shù)設(shè)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(chǔ)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(jì)算中，給定抽放出口一個(gè)負(fù)壓，抽出口壓力分別取-20kPa。煤層壓力2MPa，煤層給定多孔介質(zhì)滲流邊界條件，指定煤層透氣性系數(shù)。湍流計(jì)算選用 k-ε 模型，瓦斯在煤層中流動(dòng)用多孔介質(zhì)模型，其內(nèi)部流動(dòng)由 Darcy 公式確定：

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

　　3.5.1.3 網(wǎng)格劃分

　　下圖是界面網(wǎng)格示意圖。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮到鉆孔附近煤層壓力梯度比較大，對(duì)此處網(wǎng)格進(jìn)行了加密。

　　3.5.2 結(jié)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(shù)取0.0861m2/(Mpa2•d)，抽放負(fù)壓20kPa 情況下，不同抽放階段煤層壓力分布。隨著抽放時(shí)間增加，抽放影響區(qū)域逐漸增大。

　　2天

　　8天

　　30天

　　40天

　　圖 2 煤儲(chǔ)層壓力分布隨抽放時(shí)間變化(圖中壓力單位是 Pa)

　　從以上的模擬結(jié)果可以看出，隨著抽采時(shí)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(nèi)部壓力變化梯度大，并且抽放影響區(qū)域已擴(kuò)展至煤壁，說明在抽放的影響下，巷道內(nèi)的空氣可以透過煤壁，穿過抽放影響區(qū)域的煤體從而進(jìn)入抽放孔，經(jīng)抽放管路抽出，這將會(huì)影響到抽出瓦斯的濃度和抽采瓦斯量;40天左右時(shí)，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(cè)抽采影響范圍大于遠(yuǎn)離壁面一側(cè)，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(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯打長距離鉆孔(孔深>150m)，會(huì)面臨鉆孔深部達(dá)不到有效的抽放影響范圍，若保護(hù)區(qū)域?yàn)榇蜻M(jìn)巷道，在該范圍內(nèi)達(dá)不到瓦斯抽采降低突出危險(xiǎn)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(zhì)松軟，容易出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔不易形成。因此，針對(duì)薛湖煤礦二2煤層瓦斯地質(zhì)條件，將不采用順層長距離鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯方法。

　　3.6順層鉆孔鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯措施

　　回采工作面區(qū)域防突技術(shù)措施采用風(fēng)、機(jī)巷施工順層鉆孔預(yù)抽區(qū)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(shè)計(jì)85-95m，風(fēng)、機(jī)巷交叉15m。封孔段深度16m以上。風(fēng)、機(jī)巷抽放管與東風(fēng)井地面抽放泵進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行封孔抽放。從3.4節(jié)中的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，孔深較合理，單孔抽放能夠達(dá)到足夠的影響范圍，且孔間距合理，因此，該方法適合回采區(qū)域煤層。

　　3.7 掘進(jìn)巷道順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

　　該方法適合于煤巷掘進(jìn)過程，從3.4節(jié)的模擬結(jié)果顯示，可以對(duì)工作面前方煤體中的瓦斯進(jìn)行有效地抽放，因此，此方法適合于掘進(jìn)工作面的區(qū)域防突。

　　4 預(yù)抽措施的確定

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