薛湖煤矿区域防突措施方案选择
承担单位：河南神火集团薛湖煤矿
合作单位：中国矿业大学
日 期：2011年7月
1 区域瓦斯治理必要性
中国矿业大学矿山开采与安全教育部重点实验室于2008年10月对薛湖煤矿主采二2煤层进行煤与瓦斯突出危险性鉴定，鉴定结果为：薛湖煤矿开采标高-786m以上的二2煤层为突出危险性煤层。
根据目前矿井实测数据，薛湖煤矿主采二2煤层,瓦斯含量为13.2m3/t，回采工作面瓦斯涌出量为7.22m3/t，掘进工作面2.08m3/min;二2煤层坚固性系数为0.22～0.4059，煤层瓦斯平均含量约为11.15m3/kg，瓦斯压力约为1.2～1.7Mpa，矿井瓦斯抽放半径为4m，煤层透气性系数为0.0861m2/(Mpa2•d)，百米钻孔瓦斯流量衰减系数为1.38 d -1。根据中国矿业大学采样鉴定报告，该煤层不自燃，且煤尘无爆炸危险性。二1煤层瓦斯压力为2.7Mpa。
根据《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》及《煤矿安全规程》的相关规定，在进行采掘作业前，必须采取相应的区域瓦斯治理措施，确保回采工作面瓦斯压力降低到0.74MPa或瓦斯含量降低到8m3/t以下。
区域性瓦斯治理是防治煤与瓦斯突出的根本措施，是矿井实行安全开采的根本保证。薛湖煤矿主采二2煤层瓦斯压力及瓦斯含量均超过规定临界值。为确保安全采掘，必须采取相应的区域瓦斯治理措施，使回采工作面瓦斯压力降低到0.74MPa或瓦斯含量降低到8m3/t以下。
2 -780水平以上区域防突措施方案提出
《防治煤与瓦斯突出规定》第三章、《煤矿安全规程》第一百九十二条到一百九十四条、《国务院关于预防煤矿生产安全事故的特别规定》、《国有煤矿瓦斯治理规定》对区域瓦斯治理均有严格的规定。
《防治煤与瓦斯突出规定》第四十五条规定： 区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前，对突出煤层较大范围采取的防突措施。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。
开采保护层分为上保护层和下保护层两种方式。
预抽煤层瓦斯可采用的方式有：地面井预抽煤层瓦斯以及井下穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、穿层钻孔预抽石门(含立、斜井等)揭煤区域煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯等。
预抽煤层瓦斯区域防突措施应当按上述所列方式的优先顺序选取，或一并采用多种方式的预抽煤层瓦斯措施。
根据煤层、瓦斯赋存及开采条件，区域防突措施必须优先选用开采保护层措施。在无保护层开采条件时可选取预抽煤层瓦斯作为区域防突措施，并按上述列举的各类方式的优先顺序选取适当方式的预抽煤层瓦斯措施。
3 -780水平以上区域防突措施方案选择
根据《煤矿安全规程》及《防治煤与瓦斯突出规定》规定：在突出矿井开采时应优先选择保护层开采或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出的措施。突出矿井区域防突工作必须做到“多措并举、可保必保、应抽必抽、抽采平衡、效果达标”。
针对薛湖煤矿主采二2煤层赋存情况及工作面实际情况，从《规定》中提出措施中选择区域防突方案，并进行分析比较，制定最合理有效的区域瓦斯治理方案：
3.1 保护层开采区域防突措施
二1煤层上距二2煤层底板在25m-40m以内，煤层厚度在400-1200mm，属于薄煤层，如果采用二1煤层作为下保护层开采，是开采二2煤最理想的区域治理措施，但根据2008年11月中国矿业大学提交的《薛湖煤矿二1煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》，二1煤测得最大瓦斯压力为2.7MPa，相对于二2煤层瓦斯压力有显著的增加，该煤层具有突出危险。所以二2煤层不具备开采保护层的条件，二2煤层应按单一煤层治理。应采取适当的预抽措施，并采取《规定》中提出的优先顺序对预抽措施进行选择。
3.2 地面井预抽煤层瓦斯区域防突措施
《防治煤与瓦斯突出规定》第四十一条规定：突出危险区的煤层不具备开采保护层条件的，必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行区域措施效果检验。
目前对于地面井预抽煤层瓦斯区域防突措施的地面井布置等相关技术参数、效果等还缺少必要的试验考察，还不宜作为单独使用的方式。
3.3 底板抽放巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施
3.3.1 底板抽放巷安全岩柱的数值模拟
在掘进顶、底板抽放巷时，巷道顶、底板岩柱处于一定的地应力和瓦斯压力作用之下。此时如果巷道与突出煤层之间的岩柱厚度不足，在强大的地应力和瓦斯压力作用下，就有可能发生瓦斯冲破顶底板岩柱突出的危险。因此确定合理的预留安全岩柱厚度，对于保证保护层内煤巷的安全高效掘进具有重要意义。目前在对岩土工程和采矿工程问题进行研究时，人们常采用理论分析、相似材料模型、数值模拟相结合的研究方法，其中数值模拟研究方法能较全面、较精确的获得巷道围岩的移动变形和应力变化，为进一步确定合理的安全岩柱厚度提供了基础。
由于该矿尚未采取过顶、底板抽放巷的消突措施，现欲通过数值模拟的手段确定最小安全岩柱的厚度，为该矿布置抽放巷提供依据。
3.3.3.1模拟方案
依据二2煤层地层条件，对实际巷道考虑其主要因素，对模型进行简化，建立的模型外部尺寸为40m×24m×38m。本次试验模拟了岩柱厚度分别为1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m七种情况下的巷道掘进情况，因此各模型的网格划分有所不同，图3 1为3m岩柱厚度下的模型计算网格图。
图3 1 3m岩柱厚度计算网格图
由于二2煤层为深部开采，埋深600～800m，因此模型采用人工边界。根据矿上提供的地应力资料，本计算模型的边界条件如下：在模型顶部采用应力边界条件，即σV=27MPa。其他边界使用位移边界条件，即单约束边界，在模型的地面约束所有Z方向的自由度，在平行于巷道走向的两侧约束X方向上的自由度，垂直于巷道走向的两侧施加Y方向的约束。
在所有采矿工程开始开挖和构造之前，都有一个原始应力状态。FLAC3D中，通过设置初始条件(initial命令)来模拟这种原始状态。由此，施加垂直应力SZZ=27MPa，考虑到最大水平应力垂直于巷道走向时，对巷道的影响最大，因此施加最大水平应力SXX=30.5MPa，方向垂直于巷道走向，施加最小水平应力SYY=19MPa，方向平行于巷道走向。考虑到二2煤层实测的瓦斯压力较大，不能忽视瓦斯压力对顶底板岩柱的影响，而瓦斯压力实质上为瓦斯膨胀能的作用，因此把瓦斯压力简化为垂直于煤层顶板的力，作用在煤层的顶底板岩石上。
根据现场的掘进实际情况，模型每次掘进1m。
3.3.3.2 数值模拟结果分析
巷道掘进过程中围岩应力会发生变化，顶底板会产生一定的位移量。因此，为了研究最小预留安全岩柱的厚度，本节选取了底板拉应力和位移量这两个可行性的分析指标，同时结合巷道掘进后的围岩塑性分布情况进行综合判定。
图3 2岩柱厚度7m时应力分布图
图3 4岩柱厚度6m时应力分布图
图3 3岩柱厚度7m时位移分布图
图3 5岩柱厚度6m时位移分布图
图3 6岩柱厚度5m时应力分布图
图3 7岩柱厚度5m时位移分布图
图3 8岩柱厚度4m时应力分布图
图3 9岩柱厚度4m时位移分布图
图3 10岩柱厚度3m时应力分布图
图3 11岩柱厚度3m时位移分布图
图3 12岩柱厚度2m时应力分布图
图3-13岩柱厚度2m时位移分布图
图3 14岩柱厚度1m时应力分布图
图3-15岩柱厚度1m时位移分布图
如图3 2～图3 17所示，在地应力和瓦斯压力共同作用下，最大应力集中区主要发生在巷道底角部，而最大拉应力出现在巷道底板的中部，因此主要的控制区是在巷道的底板，计算分别模拟了7m、6m、5m、4m、3m、2m、1m岩柱厚度下，巷道开挖后的变形情况。各情况下的最大拉应力和位移量如下：
表3 1巷道底板应力及变形量
岩柱厚度 7m 6m 5m 4m 3m 2m 1m
拉应力/105Pa 5.8109 6.6311 7.013 7.9036 9.8139 13.552 15.682
底板位移/10-3m 10.738 11.031 11.447 11.853 12.563 13.908 16.671
图3 16位移量随预留岩柱厚度变化图
图3 17拉应力随预留岩柱厚度变化图
从表3 1及图3-16、图3 17中我们可以看出，预留岩柱厚度大于6m时，巷道底板的拉应力和垂直方向位移量随岩柱厚度的减小而缓慢增加;当预留岩柱在2～6m之间时，拉应力和位移量的增速有所增加，但绝对值增加不显著;当预留岩柱小于2m时，拉应力急剧增加，当预留岩柱减少到1m时，拉应力达到1.67MPa，比6m时的拉应力增大了一倍多。因此，6m的厚度可以看成是底板岩柱稳定性的一个临界厚度。
同时，围岩的塑性变形也是影响围岩稳定性的一个重要因素，巷道围岩的塑性分布如图3-18～图3 21。
图3 18岩柱厚度7m塑性松动区分布图
图3 19岩柱厚度6m塑性松动区分布图
图3 20岩柱厚度5m塑性松动区分布图
图3 21岩柱厚度4m塑性松动区分布图
上图可以看出，当岩柱厚度大于6m时，巷道塑性单元较少，且基本稳定。当岩柱厚度小于6m时，巷道底板的塑性松动单元急剧增加，当岩柱厚度为4m和1m时，底板下的二2煤也出现了较大范围的塑性变形区。结合前文对底板拉应力和位移量的分析，从力学角度分析认为在围岩均质完整情况下的煤巷掘进的最小预留防突岩柱厚度不应小于6m。考虑到在现实情况下围岩的非均质性及岩体裂隙等因素的影响，在无地质构造和岩体较完整的情况下，现场掘进时预留安全岩柱厚度应不小于6m。为防止因采动过程中的震动引起煤层突破安全岩柱引起自行揭煤的事故，预留安全岩柱厚度不得小于2倍的最小安全厚度。
3.3.2底板抽放巷的不可执行性
在《防治煤与瓦斯突出规定》中按照其正常实施的安全性、效果可靠性排序列出，因此，在条件允许的情况下，应优先采用排在前面的方式，采用井下穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施。
二2煤层直接底板为细粒砂岩和砂质泥岩，且泥岩厚度较大，不利于底板穿层钻孔的形成;矿井内二1煤层钻孔穿见点72个，赋存于山西组下部，上距二2煤约20m左右，下距K3(弱含水)平均15m，距离L8灰岩(区域主要含水层)平均40m。二1煤层处于二叠系下统山西组下段地层，此段地层主要为粉、细砂岩互层，水平层理发育，含2~3层薄煤层，分别为二11和二12两个分层，二11煤层相对发育较稳定，厚度较大，对比较可靠。其中下分层二11煤钻孔61个，有7个孔有夹矸，尖灭为零点11个，占15.2%，可采点9个，占12.5%，不可采点52个占72.2%，煤厚0~1.78m，平均厚度0.58m。二11煤与二2煤层间距6.43~33.97m，大部分在20m左右，二12煤见煤孔44个，煤层厚度均小于0.8m不可采。见煤点中7个含夹矸，一般为1～2层，岩性为泥岩或砂质泥岩，煤层结构较简单。由此可见，矿井二1煤发育不连续，层位不稳定，不能作为底板抽放巷的标志层。
由以上模拟结果显示，在该区间内挖掘底板抽放巷，易造成瓦斯冲破岩柱而形成突出事故。又由于抽采钻孔不能穿过含水层，因此在含水层下方亦不宜开挖抽放巷。所以开掘底板抽放巷实施穿层钻孔预抽区域防突措施不可行。
3.4 顶板抽放巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施
由于二2煤层直接顶板为泥岩与砂岩互层，且泥岩厚度较大，不利于实施顶板穿层钻孔，且顶板抽放钻孔内积水问题无法解决，抽放效果差;所以二2煤层不易施工顶板瓦斯抽放巷。
3.5 顺层长距离钻孔预抽区段煤层瓦斯措施
运用FLUENT模拟软件对长距离抽放钻孔的抽放情况进行模拟，以下为模型的建立及模拟结果。
3.5.1 模 型
3.5.1.1 几何模型
以现场所采用的一组瓦斯抽放钻孔基本参数设置为参考，取钻孔孔径 0.108 m，封孔长度 10 m，钻孔总长度 110 m。煤储层沿钻口方向距离为 200m，径向长度是 200 m。
3.5.1.2 模型选择和边界条件
计算中，给定抽放出口一个负压，抽出口压力分别取-20kPa。煤层压力2MPa，煤层给定多孔介质渗流边界条件，指定煤层透气性系数。湍流计算选用 k-ε 模型，瓦斯在煤层中流动用多孔介质模型，其内部流动由 Darcy 公式确定：
式中，Δp 为渗流压力降;μ 为气体的粘性系数;k称为渗透率，取决于煤层的几何结构, 计算中煤层透气性系数取0.0861m2/(Mpa2•d);v是瓦斯流动速度;δ为瓦斯流过的距离。
3.5.1.3 网格划分
下图是界面网格示意图。整个计算区域采用了结构化网格，考虑到钻孔附近煤层压力梯度比较大，对此处网格进行了加密。
3.5.2 结果分析
3.5.2.1 煤层瓦斯抽放过程分析
图 2 是煤层透气性系数取0.0861m2/(Mpa2•d)，抽放负压20kPa 情况下，不同抽放阶段煤层压力分布。随着抽放时间增加，抽放影响区域逐渐增大。
2天
8天
30天
40天
图 2 煤储层压力分布随抽放时间变化(图中压力单位是 Pa)
从以上的模拟结果可以看出，随着抽采时间的推移，钻孔抽采影响范围逐渐增大，第8天开始，贴近煤壁的煤体瓦斯压力开始降低，瓦斯逐渐抽出;30天左右，孔口附近压力变化梯度较钻孔内部压力变化梯度大，并且抽放影响区域已扩展至煤壁，说明在抽放的影响下，巷道内的空气可以透过煤壁，穿过抽放影响区域的煤体从而进入抽放孔，经抽放管路抽出，这将会影响到抽出瓦斯的浓度和抽采瓦斯量;40天左右时，从图中可以看出，以钻孔中间的平面为分界面，靠近壁面一侧抽采影响范围大于远离壁面一侧，且随着钻孔深度的增加，影响范围越来越小，若采取顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯打长距离钻孔(孔深>150m)，会面临钻孔深部达不到有效的抽放影响范围，若保护区域为待掘进巷道，在该范围内达不到瓦斯抽采降低突出危险性的效果，再加上二2煤层起伏较大，不易形成长直钻孔，且该煤层煤质松软，容易出现塌孔等现象，导致钻孔不易形成。因此，针对薛湖煤矿二2煤层瓦斯地质条件，将不采用顺层长距离钻孔预抽区段煤层瓦斯方法。
3.6顺层钻孔钻孔预抽回采区域煤层瓦斯措施
回采工作面区域防突技术措施采用风、机巷施工顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯，抽放钻孔超出工作面停采线以外20m以上，孔径Φ94mm，孔间距4～6m，孔深设计85-95m，风、机巷交叉15m。封孔段深度16m以上。风、机巷抽放管与东风井地面抽放泵进行联网抽放，抽放孔采用直径50mm聚乙烯管配合聚胺脂封孔或树脂封孔器进行封孔抽放。从3.4节中的数值模拟结果可以看出，孔深较合理，单孔抽放能够达到足够的影响范围，且孔间距合理，因此，该方法适合回采区域煤层。
3.7 掘进巷道顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯
该方法适合于煤巷掘进过程，从3.4节的模拟结果显示，可以对工作面前方煤体中的瓦斯进行有效地抽放，因此，此方法适合于掘进工作面的区域防突。
4 预抽措施的确定
因此，按照优先顺序原则，针对薛湖煤矿实际的瓦斯地质条件，并结合《防治煤与瓦斯突出规定》的具体要求，对-780水平以上区域防突措施的选择如下：石门揭煤采用穿层钻孔预抽石门(含立、斜井等)揭煤区域煤层瓦斯;煤巷掘进工作面采用顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯;采煤工作面采用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的措施。
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