复杂地质软高突出煤层超前掘进留煤加固与防突技术应用

2022-04-02杨明明

山西冶金 2022年1期

杨明明

（华阳集团开元公司生产技术部技术组，晋中寿阳 045400）

我国是一个煤产量大的国家，煤炭消耗的能源占到所有资源的将近72%，煤炭的总开采量占到了世界的将近50%[1]。随着煤炭资源的广泛被开采和利用，逐步发展成为高应力的开采区域，进而导致在开采过程中的安全事故增加，直接威胁到人和设备的安全问题[2]。根据调查，在近10 a 间，煤矿造成的事故持续上升，死亡人数不断增加[3]。

根据国内外研究，导致煤层超前掘进困难的主要因素包括：整个煤层之内的压力高；煤矿岩层和周围的岩层之间的透气性比较差；煤层开采过程中出现滞后性三个方面。当煤开采不符合要求时，就会造成安全事故，其中，软高突煤层超前留煤层之间的突出最为明显。因此，采取必要的安全措施来降低煤层之间的压力，提升煤矿的开采利用率就是迫在眉睫[4，5]。

本文通过数值分析、理论推理以及实践的方式，展现出在不同地质条件下煤矿在开采过程中的卸压规律。通过数值分析及模拟对不同条件下的软高突煤层之间采取时空防突方案。

1 不同开采方式下的数值建模以及防突技术效果的分析

1.1 保护层之间钻孔的数值模拟分析

1.1.1 建模

将煤层之间的压力卸掉，对突出煤层巷进行开采，煤层的工作面主要包含回风巷道、回采工作面以及风巷道，如图1 所示。

图1 煤层工作面示意图

数值模拟采用COMSOL 软件，对工作面进行建模，对工作面的正面和侧面分别进行研究，模型的尺寸为40 m×4 m×4 m，模拟采用的模块为固体力学模块和广义偏微分模块。

本文对软煤层内的钻孔进行参数设置，长为8 m，孔的直径为75 mm，如图2 所示。

图2 煤矿开采过程的正视图与左视图

1.1.2 边界条件的设定

根据煤层的实际情况，设置左右两边边界为X方向的位移，模型顶部设置参数包括位移约束量和均布载荷量，按照规定要求的抽采压力，数值为-13 kPa。

1.1.3 数值分析

该部分采用三角形网格剖分的分析方法对模型进行建模，剖分的网格尺寸比较细密，开采的模型如图3 所示。

图3 软煤层开采示意图

1.1.4 仿真结果

按照上述仿真建模方式对其进行实验仿真，在模拟单孔开采的情况下，对采集20 d、40 d、60 d、80 d的开采结果进行分析，分析结果如下页图4 所示。

图4 煤矿压力变化曲线

通过对煤层内部压力的分析可以看出，在刚开始采样的20 d之内，压力急剧下降，下降平均速率在0.15 MPa/d，在20～40 d之内，压力的下降速率开始降低，平均速率为0.08 MPa/d，在40～80 d之内，压力几乎没有明显的变化。

根据模拟结果可以看出，在抽采到80 d 的时候，煤层之间的压力逐步趋向于稳定，钻孔面上的煤层开采对保护层进行了一定的压力卸载，但是在煤层内的压力没有达到安全生产压力的标准。结合实际情况，在软煤层，当压力减小至一定程度时，钻孔内会发生塌孔，随着煤层的开采，有效半径会达到2 m，这样扩大钻孔的煤层开采的半径可以提升卸压的效果。

1.2 上保护层下向钻孔的软膏突煤层掘进

1.2.1 建模

在煤开采过程中，由于应力的分布，在被保护层和保护层之间会产生间隙，开采扰动区域内的煤层会沿着间隙向保护层涌入，为了防止超过限制，所以需要对保护层朝下进行钻孔开采，使得被保护层内的煤朝着回风巷流动，这样就降低了保护煤层的压力。

该部分建的钻孔长是18 m，封孔长度是6 m，煤层顶部压力是6 MPa。网格剖分采用细化的三角形进行剖分，如图5 所示。

图5 保护层钻孔建模示意图

1.2.2 数值分析

通过数值模拟分析，可以得出以下结论，保护层下向开采时采煤层压力变化幅度要大，渗透率要高。随着煤层的开采，被保护层里面的压力逐步释放出来，并且卸压的范围逐步扩大，使得煤层压力在抽采管道形成了包络面。并且，随着时间的推移，渗透率几乎不变。

2 煤层开采防突技术的研究

对于复杂地质条件下的煤层开采防突方案设计主要包含以下几个考虑因素：

1）开采的方式具有针对性，能够降低煤层压力。2）当开采方式较为合理时，需要同时满足安全生产条件以及保证煤的利用率。

3）需要充分利用现场作业条件，降低开采成本，提升开采的性价比。

4）防突技术的设计需要充分考虑到现场煤层的开采条件。

5）防突技术的设计应当满足施工方便的原则，保证对煤矿开采的高效性。

根据复杂地质条件上煤层开采的数值分析情况，煤层开采最大扰动距离大约为15 m，结合地质条件，可以通过对专用开采巷道对上下部煤层进行开采，如图6 所示。

图6 防突开采示意图

2.1 中距离煤层防突开采方案

1）上部煤层开采部分设计：钻孔直径为75 mm，钻孔长度为40 m，钻孔间距是2 m，开采流量是20 m3/min。

2）下部煤层开采部分设计：钻孔直径为75 mm，埋深是5 m，钻孔间距是20 m，开采流量是4 m3/min。

2.2 远距离煤层防突开采方案

1）上部煤层开采部分设计：钻孔直径为75 mm，钻孔长度为60 m，钻孔间距是2 m，开采流量是20 m3/min。

2）下部煤层开采部分设计：钻孔直径为75 mm，埋深是10 m，钻孔间距是20 m，开采流量是4 m3/min。

2.3 超远距离煤层防突开采方案

1）上部煤层开采部分设计：钻孔直径为75 mm，钻孔长度为80 m，钻孔间距是2 m，开采流量是20 m3/min。

2）下部煤层开采部分设计：钻孔直径为75 mm，埋深是20 m，钻孔间距是20 m，开采流量是4 m3/min。

通过数据的分析和对比，针对不同距离煤层开采设计出的防突方案，从理论上符合要求。从经济角度来看，中距离煤层的开采性价比更高，通过设置专门的开采巷道，虽然在一定程度上提高了开采的成本，但是能够有效地提升开采速率，满足长期获益的需求。在远距离煤层开采和超远距离煤层开采过程中铺设巷道，由于距离长，导致成本增加，使得性价比降低，并且在特殊条件下，长距离的钻孔还会导致发生塌孔的现象。