軟高突出煤層超前掘進留煤加固與防突技術研究

楊 志

（華陽集團開元分公司通風部，山西 壽陽 045400）

隨著現代科技的不斷發展進步，高科技含量的綜合化機械已經廣泛應用于工業領域，機械化水平也在不斷提高。在采煤方面，實現高效快速且安全的開采則是必然要求。目前，我國絕大多數地區的煤礦開采的掘進進度都能達到生產要求，但是對于瓦斯較為突出的軟煤層來講，因其具有瓦斯涌出量大、風險性高等特點，直接導致軟煤層開采速度緩慢，影響了煤礦正常的開采進度。因此，如何提高軟煤層安全快速開采就成為亟待解決的關鍵問題。

煤和瓦斯突出是一種復雜的瓦斯動力現象，這種現象在煤礦井下經常發生[1-2]。據相關統計顯示，在軟煤層內的開采工作面上出現的突出次數最為明顯，達到了總數的95%[3]。在南方礦區上，大部分礦井均采用超前鉆孔作為軟煤層掘進開采工作面消突的方法，通過增大孔的數量和孔的深度來提升效果，但是鉆孔的過程中往往會出現周期長、效率低、卡鉆頭等現象，導致開采速度減慢、施工效率低下等，因此改善防突技術就是目前亟待解決的問題[4-5]。文章對煤礦瓦斯防突技術概況、工作原理進行闡述，后對實驗平臺搭建進行描述，對實驗進行了FLAC3D仿真模擬，并做出分析和討論，最后得出結論。

1 防突技術的工作原理

煤與瓦斯產生突出現象的前提條件是在多孔介質中的瓦斯必須產生強烈的運動。要使氣體運動，必須在多孔介質中形成氣體的壓力梯度和濃度梯度，梯度是瓦斯運移的驅動力，而不是煤中瓦斯的絕對壓力值和濃度大小。因此，瓦斯與煤的絕對壓力值與瓦斯突出沒有直接關系，只有壓力梯度和梯度的變化范圍才是造成煤與瓦斯突出的根本原因。當超前鉆孔啟用后，部分氣體被釋放，但仍存在較大的壓力梯度，特別是超前鉆孔啟用后，煤體原有的物理結構在推進距離內被破壞，抗剪強度迅速下降。

當超前鉆孔達到軟煤層時，鉆頭部分的旋轉式切削產生強烈的沖擊破碎作用，使得軟煤層發生沖擊破碎，煤層在破碎后，迅速對瓦斯進行解吸。在超前鉆孔周圍的煤層對瓦斯具有快速解吸的效果，這樣使得進入超前鉆孔的那部分瓦斯量是普通瓦斯的幾十倍。這時，超前孔洞前后附近出現了比較明顯的氣體梯度，氣體發射強度明顯增大。在這種情況下，速度極高的氣流對受到影響的煤粉顆粒起到傳輸和粉碎的效果，并且這種效果在孔洞附近的影響不斷擴大。因為鉆孔的直徑小，使得氣流和煤粉顆粒無法排出，這樣使得孔內外氣壓梯度更大，導致瓦斯由內向外爆發性涌出，形成射流孔和黏著，孔的深度較小，當氣體強度大于煤骨架的阻力時，煤與瓦斯發生突出。

2 工程背景和實驗平臺搭建

2.1 工程背景

朱集西礦的11-3 煤層附近瓦斯受到的壓力大約為6.5 MPa，軟煤層內的瓦斯體積含量為6.75 m3/t，回采高度在-830～-940 m 范圍內，煤層的傾角大約有5°，平均厚度為1.5 m。11-3 煤層上的直接頂板和底部都采用砂質泥巖，直接頂板的頂部為薄層泥巖，主頂板采用中性砂巖，底板采用條帶狀砂巖，頂部采用暗色泥巖，中部采用砂質泥巖。

2.2 平臺搭建

實驗平臺搭建示意圖如下頁圖1 所示，具體搭建過程為：

圖1 實驗平臺搭建

1）平臺采用超前發射孔，加載錨固劑，采用臨時補強管，將推進距離內的煤塊整體固化，每個臨時補強管預應力為2 t；

2）臨時補強管端部增設冷拉絲鋼絲網，鋼絲網與臨時補強管為一體進行補強；

3）在巷道四角，沿30°方向，在距頂板和底板巖石5 m 處鉆孔，其中2 m 進入頂板和底板巖石，加載臨時錨固劑和加固管，每管加固預應力5 t。

3 應用數值模擬FLAC3D 進行效果分析

3.1 模型搭建

FLAC3D模型的搭建如圖2 所示。

圖2 FLAC3D 建模示意圖

軟煤層的厚度比較穩定，結構簡潔明了單一化。軟煤層的厚度通常為3～4 m，平均為3.5 m。煤層傾角變化不大，可近似為水平煤層，煤層波動變化不大，深度約600 m。煤層頂板和底板情況為：直接頂板和底部都采用砂質泥巖，直接頂板的頂部為薄層泥巖，主頂板采用中性砂巖，底板采用條帶狀砂巖，頂部采用暗色泥巖，中部采用砂質泥巖。煤巖力學性質及巷道周圍物理力學參數具體如表1 所示。

表1 煤巖物理性質參數

3.2 模擬與效果分析

根據地質條件下的地表實際情況，分析不同強化作用下的應力分布，模擬示意圖如圖3 所示，垂直應力和水平應力的分布曲線如圖4、圖5 所示。

圖3 根據地質條件的地表實際情況模擬示意圖

圖4 垂直應力曲線

圖5 水平應力曲線

從圖3—圖5 中可以看出，隨著支護阻力的增大，掘進前方豎向應力增大，其趨勢與硬煤層相同，增大范圍為0～5 m，5 m 后的區域不受超前預應力支護的影響。在錨桿的作用下，原破碎煤變成整體煤，整體抗瓦斯突出能力增強。

隨著支護阻力的增大，剪切應力集中程度降低。無支撐阻力時，剪應力集中范圍較大，在端面10～15 m范圍以上，存在剪應力集中的現象。隨著支護阻力的增大，0～5 m 范圍內煤壁前方剪應力集中區域越來越小，掘進處上下角處剪應力集中消失。

4 結論

1）巷道前方采用特殊材料制成的預應力錨桿超前支護加固，加固范圍為超前預留煤。煤在特殊錨桿的作用下產生壓縮變形，使原來破碎的煤變成一個整體，錨固區煤的抗壓能力增加，抗瓦斯突出能力增強。

2）預應力錨桿前置可使水平應力峰值略有回落，但影響有限。

3）隨著支護阻力的增大，剪切應力集中減小，剪切應力集中區域變小，上下邊角剪切應力集中消失。由于礦井瓦斯突出是煤的剪切破壞最嚴重的部位，剪切應力集中程度的減小可以降低礦井瓦斯突出的危險性。