软高突出煤层超前掘进留煤加固与防突技术研究

2022-04-02杨志

山西冶金 2022年1期

杨志

（华阳集团开元分公司通风部，山西寿阳 045400）

随着现代科技的不断发展进步，高科技含量的综合化机械已经广泛应用于工业领域，机械化水平也在不断提高。在采煤方面，实现高效快速且安全的开采则是必然要求。目前，我国绝大多数地区的煤矿开采的掘进进度都能达到生产要求，但是对于瓦斯较为突出的软煤层来讲，因其具有瓦斯涌出量大、风险性高等特点，直接导致软煤层开采速度缓慢，影响了煤矿正常的开采进度。因此，如何提高软煤层安全快速开采就成为亟待解决的关键问题。

煤和瓦斯突出是一种复杂的瓦斯动力现象，这种现象在煤矿井下经常发生[1-2]。据相关统计显示，在软煤层内的开采工作面上出现的突出次数最为明显，达到了总数的95%[3]。在南方矿区上，大部分矿井均采用超前钻孔作为软煤层掘进开采工作面消突的方法，通过增大孔的数量和孔的深度来提升效果，但是钻孔的过程中往往会出现周期长、效率低、卡钻头等现象，导致开采速度减慢、施工效率低下等，因此改善防突技术就是目前亟待解决的问题[4-5]。文章对煤矿瓦斯防突技术概况、工作原理进行阐述，后对实验平台搭建进行描述，对实验进行了FLAC3D仿真模拟，并做出分析和讨论，最后得出结论。

1 防突技术的工作原理

煤与瓦斯产生突出现象的前提条件是在多孔介质中的瓦斯必须产生强烈的运动。要使气体运动，必须在多孔介质中形成气体的压力梯度和浓度梯度，梯度是瓦斯运移的驱动力，而不是煤中瓦斯的绝对压力值和浓度大小。因此，瓦斯与煤的绝对压力值与瓦斯突出没有直接关系，只有压力梯度和梯度的变化范围才是造成煤与瓦斯突出的根本原因。当超前钻孔启用后，部分气体被释放，但仍存在较大的压力梯度，特别是超前钻孔启用后，煤体原有的物理结构在推进距离内被破坏，抗剪强度迅速下降。

当超前钻孔达到软煤层时，钻头部分的旋转式切削产生强烈的冲击破碎作用，使得软煤层发生冲击破碎，煤层在破碎后，迅速对瓦斯进行解吸。在超前钻孔周围的煤层对瓦斯具有快速解吸的效果，这样使得进入超前钻孔的那部分瓦斯量是普通瓦斯的几十倍。这时，超前孔洞前后附近出现了比较明显的气体梯度，气体发射强度明显增大。在这种情况下，速度极高的气流对受到影响的煤粉颗粒起到传输和粉碎的效果，并且这种效果在孔洞附近的影响不断扩大。因为钻孔的直径小，使得气流和煤粉颗粒无法排出，这样使得孔内外气压梯度更大，导致瓦斯由内向外爆发性涌出，形成射流孔和黏着，孔的深度较小，当气体强度大于煤骨架的阻力时，煤与瓦斯发生突出。

2 工程背景和实验平台搭建

2.1 工程背景

朱集西矿的11-3 煤层附近瓦斯受到的压力大约为6.5 MPa，软煤层内的瓦斯体积含量为6.75 m3/t，回采高度在-830～-940 m 范围内，煤层的倾角大约有5°，平均厚度为1.5 m。11-3 煤层上的直接顶板和底部都采用砂质泥岩，直接顶板的顶部为薄层泥岩，主顶板采用中性砂岩，底板采用条带状砂岩，顶部采用暗色泥岩，中部采用砂质泥岩。

2.2 平台搭建

实验平台搭建示意图如下页图1 所示，具体搭建过程为：

图1 实验平台搭建

1）平台采用超前发射孔，加载锚固剂，采用临时补强管，将推进距离内的煤块整体固化，每个临时补强管预应力为2 t；

2）临时补强管端部增设冷拉丝钢丝网，钢丝网与临时补强管为一体进行补强；

3）在巷道四角，沿30°方向，在距顶板和底板岩石5 m 处钻孔，其中2 m 进入顶板和底板岩石，加载临时锚固剂和加固管，每管加固预应力5 t。

3 应用数值模拟FLAC3D 进行效果分析

3.1 模型搭建

FLAC3D模型的搭建如图2 所示。

图2 FLAC3D 建模示意图

软煤层的厚度比较稳定，结构简洁明了单一化。软煤层的厚度通常为3～4 m，平均为3.5 m。煤层倾角变化不大，可近似为水平煤层，煤层波动变化不大，深度约600 m。煤层顶板和底板情况为：直接顶板和底部都采用砂质泥岩，直接顶板的顶部为薄层泥岩，主顶板采用中性砂岩，底板采用条带状砂岩，顶部采用暗色泥岩，中部采用砂质泥岩。煤岩力学性质及巷道周围物理力学参数具体如表1 所示。