屯蘭煤礦開采保護(hù)層的方案優(yōu)選分析

劉 超

（西山煤電 安監(jiān)局，太原 030053）

1 屯蘭煤礦瓦斯概況

屯蘭煤礦2012年瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果：瓦斯絕對(duì)涌出量223 m3/min，瓦斯相對(duì)涌出量39.71 m3/t，屬煤與瓦斯突出礦井，核定生產(chǎn)能力353萬t/a。礦井瓦斯涌出量隨著產(chǎn)量遞增及采掘加深逐年增大，當(dāng)前采區(qū)最大相對(duì)瓦斯涌出量已達(dá)75.9 m3/t，并在南五盤區(qū)出現(xiàn)過瓦斯涌出異常及動(dòng)力現(xiàn)象，且其礦井瓦斯受地層地貌及蓋山厚度、地質(zhì)變化等因素的影響，分布規(guī)律呈區(qū)域性變化。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》、《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》等法律和法規(guī)的要求，結(jié)合該礦煤層地質(zhì)賦存規(guī)律，井下區(qū)域瓦斯治理方法，應(yīng)以保護(hù)層開采技術(shù)為核心，通過采動(dòng)卸壓瓦斯抽采、消除被保護(hù)層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)高瓦斯突出煤層群的安全高效開采。

2 建立數(shù)值計(jì)算模型

建立計(jì)算模型根據(jù)屯蘭煤礦地層條件，采用FLAC3D軟件模擬單獨(dú)開采2號(hào)煤、7號(hào)煤和8號(hào)煤情況，通過分析相關(guān)應(yīng)力及位移云圖，應(yīng)力與各煤層的相對(duì)膨脹變形量等規(guī)律，為被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采提供技術(shù)指導(dǎo)。

模型尺寸：長(zhǎng)250 m，寬250 m，高180 m，其中2號(hào)煤、7號(hào)煤、8號(hào)煤的采高分別為3.2 m、1.5 m、3.3 m；各開采煤層的底板距上邊界分別為145 m、86 m、65 m。工作面走向開采長(zhǎng)度135 m，工作面寬105 m，沿工作面走向前后側(cè)各留85 m煤柱。模型底邊為固定邊界，左、右兩側(cè)為位移邊界，見圖1。模型共分40 000個(gè)單元，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則力學(xué)本構(gòu)模型，各煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。數(shù)值計(jì)算假定：開挖的動(dòng)態(tài)過程中對(duì)應(yīng)力分布無影響；各煤巖層狀分布為均質(zhì)彈塑性材料。

圖1 計(jì)算模型邊界圖

表1 煤巖層的力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 開采2號(hào)煤作為保護(hù)層

1）采動(dòng)影響范圍分析。據(jù)圖2和圖3知：2號(hào)煤回采140 m時(shí)，冒落帶高度超過30 m，底板裂隙帶深度25 m，底板極限卸壓深度60 m，因此上覆2號(hào)和3號(hào)煤層位于冒落帶，下伏的4號(hào)煤層位于底板裂隙帶內(nèi)，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)煤層的卸壓瓦斯將沿采動(dòng)裂隙涌入2號(hào)煤層的采場(chǎng)空間，這便是2號(hào)煤層回采工作面瓦斯主要來自鄰近層的原因。而8號(hào)和9號(hào)煤位于極限卸壓范圍之外，采動(dòng)應(yīng)力及位移變化不明顯，煤層仍然受原始地應(yīng)力控制。

圖2 2號(hào)煤回采140 m垂直應(yīng)力云圖

圖3 2號(hào)煤回采140 m垂直位移云圖

2）8號(hào)煤、9號(hào)煤應(yīng)力和膨脹變形分析。由圖4和圖5知：2號(hào)煤回采140 m時(shí)，8號(hào)煤的頂板和底板的應(yīng)力變化不大，應(yīng)力最大變化量由原始的-3.0 MPa降到-2.7 MPa，變化幅度僅10%；9號(hào)煤的頂板和底板的應(yīng)力變化更小，應(yīng)力最大變化量由原始的-3.5MPa降到-3.2MPa，變化幅度僅8.6%。與此對(duì)應(yīng)，8號(hào)煤的最大相對(duì)膨脹變形量?jī)H0.35‰，9號(hào)煤的最大相對(duì)膨脹變形量?jī)H0.1‰。因此可認(rèn)為開采2號(hào)煤對(duì)8號(hào)煤和9號(hào)煤的卸壓效果并不明顯。

圖4 2號(hào)煤回采140 m時(shí)8號(hào)煤、9號(hào)煤應(yīng)力分布曲線

圖5 2號(hào)煤回采140 m時(shí)，8號(hào)煤、9號(hào)煤膨脹變形曲線

3.2 7號(hào)煤層作為保護(hù)層

1）采動(dòng)影響范圍分析。據(jù)圖6和圖7知：7號(hào)煤回采140 m時(shí)，冒落帶高度14 m，裂隙帶高度超過65 m，底板裂隙帶深度20 m，底板極限卸壓深度60 m，因此，上覆2號(hào)煤層位于裂隙帶上邊緣，8號(hào)和9號(hào)煤層位于底板裂隙帶。被保護(hù)層2號(hào)煤的應(yīng)力和位移均有一定變化；下被保護(hù)層8號(hào)煤比9號(hào)煤的應(yīng)力和位移變化幅度更大一些。

圖6 7號(hào)煤回采140 m垂直應(yīng)力云圖

圖7 7號(hào)煤回采140 m垂直位移云圖

2）2號(hào)煤、8號(hào)煤、9號(hào)煤應(yīng)力和膨脹變形分析。由圖8和圖9知：7號(hào)煤回采140 m時(shí)，2號(hào)煤的頂板和底板的應(yīng)力變化一致，應(yīng)力最大變化量由原始的-1.2 MPa降到-0.3 MPa，卸壓幅度75%；8號(hào)煤的應(yīng)力最大變化量由原始的-3 MPa降到-0.5 MPa，卸壓幅度83%；9號(hào)煤的應(yīng)力最大變化量由原始的-3.5 MPa降到-1.0 MPa，卸壓幅度71%。與此對(duì)應(yīng)，2號(hào)、8號(hào)、9號(hào)煤的最大相對(duì)膨脹變形量分別為3.15‰、5.38‰、3.08‰，相對(duì)膨脹變形量均大于3‰。根據(jù)保護(hù)層開采的經(jīng)驗(yàn)知，7號(hào)煤層采高1.5 m時(shí)，2號(hào)、8號(hào)、9號(hào)煤采動(dòng)卸壓增透效果顯著，可通過卸壓瓦斯抽采消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。因此開采7號(hào)煤層作保護(hù)層，當(dāng)采高1.5 m時(shí)，上保護(hù)2號(hào)煤層、下保護(hù)8號(hào)和9號(hào)煤層是可行的。

圖8 7號(hào)煤回采140 m時(shí)2號(hào)煤、8號(hào)煤、9號(hào)煤應(yīng)力應(yīng)力分布曲線

圖9 7號(hào)煤回采140 m時(shí)2號(hào)煤、8號(hào)煤、9號(hào)煤膨脹變形曲線

3.3 開采8號(hào)煤作為保護(hù)層

1）采動(dòng)影響范圍分析。據(jù)圖10和圖11知：8號(hào)煤回采140 m時(shí)，冒落帶的高度超過30 m，裂隙帶高度超過60 m，底板裂隙帶深度25 m。因此，上覆2號(hào)煤層位于裂隙帶上邊緣，下覆9號(hào)煤層位于底板裂隙帶，2號(hào)和9號(hào)煤的應(yīng)力和位移均有較大變化。

圖10 8號(hào)煤回采140 m垂直應(yīng)力云圖

圖11 8號(hào)煤回采140 m垂直位移云圖

2）2號(hào)煤、9號(hào)煤應(yīng)力和膨脹變形分析。由圖12和圖13知：7號(hào)煤回采140 m時(shí)，2號(hào)煤的頂板和底板應(yīng)力變化基本一致，應(yīng)力最大變化量由原始的-1.2 MPa降到-0.3 MPa，應(yīng)力下降幅度75%；9號(hào)煤的應(yīng)力最大變化量由原始的-3.5 MPa降到-0.4 MPa，變化幅度89%。與此對(duì)應(yīng)，2號(hào)煤的最大相對(duì)膨脹變形量3.1‰，9號(hào)煤的最大相對(duì)膨脹變形量6‰。根據(jù)以往保護(hù)層開采經(jīng)驗(yàn)，作為下被保護(hù)層的9號(hào)煤層卸壓效果非常顯著，可用卸壓瓦斯抽采消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)；作為上被保護(hù)層的2號(hào)煤層卸壓效果也很充分，因與8號(hào)煤層層間距較大，需用卸壓瓦斯強(qiáng)化抽采消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。但因8號(hào)煤在部分盤區(qū)具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，若將8號(hào)煤層作為保護(hù)層，首先需要消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

圖12 8號(hào)煤回采140 m時(shí)2號(hào)煤、9號(hào)煤應(yīng)力分面曲線

圖13 8號(hào)煤回采140 m時(shí)2號(hào)煤、9號(hào)煤膨脹變形曲線

4 結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算對(duì)保護(hù)層的各個(gè)開采方案進(jìn)行了可行性評(píng)估，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。①2號(hào)煤與8號(hào)煤層間距95.4 m、與9號(hào)煤層間距114 m，遠(yuǎn)大于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的上保護(hù)層最大層間距為50～60 m，根據(jù)以往開采實(shí)踐，開采2號(hào)煤對(duì)下覆的8號(hào)煤和9號(hào)煤卸壓效果甚微，采動(dòng)增透增流效果較差，即使采取強(qiáng)化瓦斯抽采，也有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。因此開采2號(hào)煤層保護(hù)下覆的8號(hào)和9號(hào)煤層是不可行的。②開采7號(hào)煤層作保護(hù)層，開采高度1.5 m時(shí)，2號(hào)、8號(hào)、9號(hào)煤層的采動(dòng)卸壓效果將更顯著，且7號(hào)煤層無突出危險(xiǎn)性，符合“無突出或弱突出煤層保護(hù)強(qiáng)突出煤層”的原則。因此開采7號(hào)煤層作保護(hù)層可作為上下組煤綜合治理的首選方法。③開采8號(hào)煤層作為保護(hù)層，下保護(hù)層9號(hào)煤卸壓效果將很顯著，可通過卸壓瓦斯抽采消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)；上被保護(hù)層2號(hào)煤卸壓效果也很充分，因與8號(hào)煤層間距較大，需用卸壓瓦斯強(qiáng)化抽采消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。但因8號(hào)煤部分盤區(qū)具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，若將8號(hào)煤層作為保護(hù)層，首先需要消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

表2 保護(hù)層開采方案比較匯總

[1]盧守青，程遠(yuǎn)平.紅菱煤礦上保護(hù)層最小開采厚度的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012（6）：43-47.

[2]李紅軍.近距離煤層群條件下保護(hù)層開采優(yōu)選數(shù)值分析[J].能源技術(shù)與管理，2012（8）：31-32.