復雜地質軟高突出煤層超前掘進留煤加固與防突技術應用

楊明明

（華陽集團開元公司生產技術部技術組， 晉中 壽陽 045400）

我國是一個煤產量大的國家，煤炭消耗的能源占到所有資源的將近72%，煤炭的總開采量占到了世界的將近50%[1]。隨著煤炭資源的廣泛被開采和利用，逐步發展成為高應力的開采區域，進而導致在開采過程中的安全事故增加，直接威脅到人和設備的安全問題[2]。根據調查，在近10 a 間，煤礦造成的事故持續上升，死亡人數不斷增加[3]。

根據國內外研究，導致煤層超前掘進困難的主要因素包括：整個煤層之內的壓力高；煤礦巖層和周圍的巖層之間的透氣性比較差；煤層開采過程中出現滯后性三個方面。當煤開采不符合要求時，就會造成安全事故，其中，軟高突煤層超前留煤層之間的突出最為明顯。因此，采取必要的安全措施來降低煤層之間的壓力，提升煤礦的開采利用率就是迫在眉睫[4，5]。

本文通過數值分析、理論推理以及實踐的方式，展現出在不同地質條件下煤礦在開采過程中的卸壓規律。通過數值分析及模擬對不同條件下的軟高突煤層之間采取時空防突方案。

1 不同開采方式下的數值建模以及防突技術效果的分析

1.1 保護層之間鉆孔的數值模擬分析

1.1.1 建模

將煤層之間的壓力卸掉，對突出煤層巷進行開采，煤層的工作面主要包含回風巷道、回采工作面以及風巷道，如圖1 所示。

圖1 煤層工作面示意圖

數值模擬采用COMSOL 軟件，對工作面進行建模，對工作面的正面和側面分別進行研究，模型的尺寸為40 m×4 m×4 m，模擬采用的模塊為固體力學模塊和廣義偏微分模塊。

本文對軟煤層內的鉆孔進行參數設置，長為8 m，孔的直徑為75 mm，如圖2 所示。

圖2 煤礦開采過程的正視圖與左視圖

1.1.2 邊界條件的設定

根據煤層的實際情況，設置左右兩邊邊界為X方向的位移，模型頂部設置參數包括位移約束量和均布載荷量，按照規定要求的抽采壓力，數值為-13 kPa。

1.1.3 數值分析

該部分采用三角形網格剖分的分析方法對模型進行建模，剖分的網格尺寸比較細密，開采的模型如圖3 所示。

圖3 軟煤層開采示意圖

1.1.4 仿真結果

按照上述仿真建模方式對其進行實驗仿真，在模擬單孔開采的情況下，對采集20 d、40 d、60 d、80 d的開采結果進行分析，分析結果如下頁圖4 所示。

圖4 煤礦壓力變化曲線

通過對煤層內部壓力的分析可以看出，在剛開始采樣的20 d之內，壓力急劇下降，下降平均速率在0.15 MPa/d，在20～40 d之內，壓力的下降速率開始降低，平均速率為0.08 MPa/d，在40～80 d之內，壓力幾乎沒有明顯的變化。

根據模擬結果可以看出，在抽采到80 d 的時候，煤層之間的壓力逐步趨向于穩定，鉆孔面上的煤層開采對保護層進行了一定的壓力卸載，但是在煤層內的壓力沒有達到安全生產壓力的標準。結合實際情況，在軟煤層，當壓力減小至一定程度時，鉆孔內會發生塌孔，隨著煤層的開采，有效半徑會達到2 m，這樣擴大鉆孔的煤層開采的半徑可以提升卸壓的效果。

1.2 上保護層下向鉆孔的軟膏突煤層掘進

1.2.1 建模

在煤開采過程中，由于應力的分布，在被保護層和保護層之間會產生間隙，開采擾動區域內的煤層會沿著間隙向保護層涌入，為了防止超過限制，所以需要對保護層朝下進行鉆孔開采，使得被保護層內的煤朝著回風巷流動，這樣就降低了保護煤層的壓力。

該部分建的鉆孔長是18 m，封孔長度是6 m，煤層頂部壓力是6 MPa。網格剖分采用細化的三角形進行剖分，如圖5 所示。

圖5 保護層鉆孔建模示意圖

1.2.2 數值分析

通過數值模擬分析，可以得出以下結論，保護層下向開采時采煤層壓力變化幅度要大，滲透率要高。隨著煤層的開采，被保護層里面的壓力逐步釋放出來，并且卸壓的范圍逐步擴大，使得煤層壓力在抽采管道形成了包絡面。并且，隨著時間的推移，滲透率幾乎不變。

2 煤層開采防突技術的研究

對于復雜地質條件下的煤層開采防突方案設計主要包含以下幾個考慮因素：

1）開采的方式具有針對性，能夠降低煤層壓力。2）當開采方式較為合理時，需要同時滿足安全生產條件以及保證煤的利用率。

3）需要充分利用現場作業條件，降低開采成本，提升開采的性價比。

4）防突技術的設計需要充分考慮到現場煤層的開采條件。

5）防突技術的設計應當滿足施工方便的原則，保證對煤礦開采的高效性。

根據復雜地質條件上煤層開采的數值分析情況，煤層開采最大擾動距離大約為15 m，結合地質條件，可以通過對專用開采巷道對上下部煤層進行開采，如圖6 所示。

圖6 防突開采示意圖

2.1 中距離煤層防突開采方案

1）上部煤層開采部分設計：鉆孔直徑為75 mm，鉆孔長度為40 m，鉆孔間距是2 m，開采流量是20 m3/min。

2）下部煤層開采部分設計：鉆孔直徑為75 mm，埋深是5 m，鉆孔間距是20 m，開采流量是4 m3/min。

2.2 遠距離煤層防突開采方案

1）上部煤層開采部分設計：鉆孔直徑為75 mm，鉆孔長度為60 m，鉆孔間距是2 m，開采流量是20 m3/min。

2）下部煤層開采部分設計：鉆孔直徑為75 mm，埋深是10 m，鉆孔間距是20 m，開采流量是4 m3/min。

2.3 超遠距離煤層防突開采方案

1）上部煤層開采部分設計：鉆孔直徑為75 mm，鉆孔長度為80 m，鉆孔間距是2 m，開采流量是20 m3/min。

2）下部煤層開采部分設計：鉆孔直徑為75 mm，埋深是20 m，鉆孔間距是20 m，開采流量是4 m3/min。

通過數據的分析和對比，針對不同距離煤層開采設計出的防突方案，從理論上符合要求。從經濟角度來看，中距離煤層的開采性價比更高，通過設置專門的開采巷道，雖然在一定程度上提高了開采的成本，但是能夠有效地提升開采速率，滿足長期獲益的需求。在遠距離煤層開采和超遠距離煤層開采過程中鋪設巷道，由于距離長，導致成本增加，使得性價比降低，并且在特殊條件下，長距離的鉆孔還會導致發生塌孔的現象。

3 結論

本文通過理論分析、建模、數值分析方式對軟煤層防突技術進行研究和探索，通過構建保護層開采耦合模型，模擬復雜地質條件下煤層開采影響和卸壓的規律，以及不同開采方式下的卸壓規律，提出了在復雜地質條件下的煤層開采時的防突技術。經過試驗證明，中距離開采增加開采行當，能夠有效提升開采效率，提升開采的性價比。