屯蘭煤礦開采保護層的方案優選分析

劉 超

（西山煤電 安監局，太原 030053）

1 屯蘭煤礦瓦斯概況

屯蘭煤礦2012年瓦斯等級鑒定結果：瓦斯絕對涌出量223 m3/min，瓦斯相對涌出量39.71 m3/t，屬煤與瓦斯突出礦井，核定生產能力353萬t/a。礦井瓦斯涌出量隨著產量遞增及采掘加深逐年增大，當前采區最大相對瓦斯涌出量已達75.9 m3/t，并在南五盤區出現過瓦斯涌出異常及動力現象，且其礦井瓦斯受地層地貌及蓋山厚度、地質變化等因素的影響，分布規律呈區域性變化。根據《煤礦安全規程》、《防治煤與瓦斯突出規定》、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》等法律和法規的要求，結合該礦煤層地質賦存規律，井下區域瓦斯治理方法，應以保護層開采技術為核心，通過采動卸壓瓦斯抽采、消除被保護層的煤與瓦斯突出危險性，實現高瓦斯突出煤層群的安全高效開采。

2 建立數值計算模型

建立計算模型根據屯蘭煤礦地層條件，采用FLAC3D軟件模擬單獨開采2號煤、7號煤和8號煤情況，通過分析相關應力及位移云圖，應力與各煤層的相對膨脹變形量等規律，為被保護層的卸壓瓦斯抽采提供技術指導。

模型尺寸：長250 m，寬250 m，高180 m，其中2號煤、7號煤、8號煤的采高分別為3.2 m、1.5 m、3.3 m；各開采煤層的底板距上邊界分別為145 m、86 m、65 m。工作面走向開采長度135 m，工作面寬105 m，沿工作面走向前后側各留85 m煤柱。模型底邊為固定邊界，左、右兩側為位移邊界，見圖1。模型共分40 000個單元，采用摩爾-庫倫屈服準則力學本構模型，各煤巖體物理力學參數見表1。數值計算假定：開挖的動態過程中對應力分布無影響；各煤巖層狀分布為均質彈塑性材料。

圖1 計算模型邊界圖

表1 煤巖層的力學參數

3 數值模擬結果分析

3.1 開采2號煤作為保護層

1）采動影響范圍分析。據圖2和圖3知：2號煤回采140 m時，冒落帶高度超過30 m，底板裂隙帶深度25 m，底板極限卸壓深度60 m，因此上覆2號和3號煤層位于冒落帶，下伏的4號煤層位于底板裂隙帶內，2號、3號和4號煤層的卸壓瓦斯將沿采動裂隙涌入2號煤層的采場空間，這便是2號煤層回采工作面瓦斯主要來自鄰近層的原因。而8號和9號煤位于極限卸壓范圍之外，采動應力及位移變化不明顯，煤層仍然受原始地應力控制。

圖2 2號煤回采140 m垂直應力云圖

圖3 2號煤回采140 m垂直位移云圖

2）8號煤、9號煤應力和膨脹變形分析。由圖4和圖5知：2號煤回采140 m時，8號煤的頂板和底板的應力變化不大，應力最大變化量由原始的-3.0 MPa降到-2.7 MPa，變化幅度僅10%；9號煤的頂板和底板的應力變化更小，應力最大變化量由原始的-3.5MPa降到-3.2MPa，變化幅度僅8.6%。與此對應，8號煤的最大相對膨脹變形量僅0.35‰，9號煤的最大相對膨脹變形量僅0.1‰。因此可認為開采2號煤對8號煤和9號煤的卸壓效果并不明顯。

圖4 2號煤回采140 m時8號煤、9號煤應力分布曲線

圖5 2號煤回采140 m時，8號煤、9號煤膨脹變形曲線

3.2 7號煤層作為保護層

1）采動影響范圍分析。據圖6和圖7知：7號煤回采140 m時，冒落帶高度14 m，裂隙帶高度超過65 m，底板裂隙帶深度20 m，底板極限卸壓深度60 m，因此，上覆2號煤層位于裂隙帶上邊緣，8號和9號煤層位于底板裂隙帶。被保護層2號煤的應力和位移均有一定變化；下被保護層8號煤比9號煤的應力和位移變化幅度更大一些。

圖6 7號煤回采140 m垂直應力云圖

圖7 7號煤回采140 m垂直位移云圖

2）2號煤、8號煤、9號煤應力和膨脹變形分析。由圖8和圖9知：7號煤回采140 m時，2號煤的頂板和底板的應力變化一致，應力最大變化量由原始的-1.2 MPa降到-0.3 MPa，卸壓幅度75%；8號煤的應力最大變化量由原始的-3 MPa降到-0.5 MPa，卸壓幅度83%；9號煤的應力最大變化量由原始的-3.5 MPa降到-1.0 MPa，卸壓幅度71%。與此對應，2號、8號、9號煤的最大相對膨脹變形量分別為3.15‰、5.38‰、3.08‰，相對膨脹變形量均大于3‰。根據保護層開采的經驗知，7號煤層采高1.5 m時，2號、8號、9號煤采動卸壓增透效果顯著，可通過卸壓瓦斯抽采消除煤與瓦斯突出危險。因此開采7號煤層作保護層，當采高1.5 m時，上保護2號煤層、下保護8號和9號煤層是可行的。

圖8 7號煤回采140 m時2號煤、8號煤、9號煤應力應力分布曲線

圖9 7號煤回采140 m時2號煤、8號煤、9號煤膨脹變形曲線

3.3 開采8號煤作為保護層

1）采動影響范圍分析。據圖10和圖11知：8號煤回采140 m時，冒落帶的高度超過30 m，裂隙帶高度超過60 m，底板裂隙帶深度25 m。因此，上覆2號煤層位于裂隙帶上邊緣，下覆9號煤層位于底板裂隙帶，2號和9號煤的應力和位移均有較大變化。

圖10 8號煤回采140 m垂直應力云圖

圖11 8號煤回采140 m垂直位移云圖

2）2號煤、9號煤應力和膨脹變形分析。由圖12和圖13知：7號煤回采140 m時，2號煤的頂板和底板應力變化基本一致，應力最大變化量由原始的-1.2 MPa降到-0.3 MPa，應力下降幅度75%；9號煤的應力最大變化量由原始的-3.5 MPa降到-0.4 MPa，變化幅度89%。與此對應，2號煤的最大相對膨脹變形量3.1‰，9號煤的最大相對膨脹變形量6‰。根據以往保護層開采經驗，作為下被保護層的9號煤層卸壓效果非常顯著，可用卸壓瓦斯抽采消除煤與瓦斯突出危險；作為上被保護層的2號煤層卸壓效果也很充分，因與8號煤層層間距較大，需用卸壓瓦斯強化抽采消除煤與瓦斯突出危險。但因8號煤在部分盤區具有煤與瓦斯突出危險性，若將8號煤層作為保護層，首先需要消除煤與瓦斯突出危險性。

圖12 8號煤回采140 m時2號煤、9號煤應力分面曲線

圖13 8號煤回采140 m時2號煤、9號煤膨脹變形曲線

4 結論

通過數值計算對保護層的各個開采方案進行了可行性評估，計算結果匯總如表2所示。①2號煤與8號煤層間距95.4 m、與9號煤層間距114 m，遠大于《防治煤與瓦斯突出規定》的上保護層最大層間距為50～60 m，根據以往開采實踐，開采2號煤對下覆的8號煤和9號煤卸壓效果甚微，采動增透增流效果較差，即使采取強化瓦斯抽采，也有煤與瓦斯突出危險。因此開采2號煤層保護下覆的8號和9號煤層是不可行的。②開采7號煤層作保護層，開采高度1.5 m時，2號、8號、9號煤層的采動卸壓效果將更顯著，且7號煤層無突出危險性，符合“無突出或弱突出煤層保護強突出煤層”的原則。因此開采7號煤層作保護層可作為上下組煤綜合治理的首選方法。③開采8號煤層作為保護層，下保護層9號煤卸壓效果將很顯著，可通過卸壓瓦斯抽采消除煤與瓦斯突出危險；上被保護層2號煤卸壓效果也很充分，因與8號煤層間距較大，需用卸壓瓦斯強化抽采消除煤與瓦斯突出危險。但因8號煤部分盤區具有煤與瓦斯突出危險性，若將8號煤層作為保護層，首先需要消除煤與瓦斯突出危險性。

表2 保護層開采方案比較匯總

[1]盧守青，程遠平.紅菱煤礦上保護層最小開采厚度的數值模擬[J].煤炭學報，2012（6）：43-47.

[2]李紅軍.近距離煤層群條件下保護層開采優選數值分析[J].能源技術與管理，2012（8）：31-32.