王多武

(華能云南滇東能源有限責(zé)任公司 礦山建設(shè)有限公司, 云南 曲靖 655000)

煤炭約占我國(guó)一次能源的70％，然而我國(guó)的煤與瓦斯突出災(zāi)害十分嚴(yán)重，隨著煤礦的開(kāi)采深度進(jìn)一步加大，此災(zāi)害更加嚴(yán)重。在豎井揭煤的過(guò)程中，由于煤層原有的應(yīng)力狀態(tài)受到了破壞，因此,在集中應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下極易發(fā)生煤與瓦斯突出。俞啟香、程遠(yuǎn)平等發(fā)現(xiàn)在井筒底角會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，在立井工作面未揭穿煤層之前通過(guò)井底的裂隙預(yù)先排放了部分卸壓瓦斯，使井底煤層的瓦斯壓力線出現(xiàn)漏斗形狀，并通過(guò)排放與抽采措施相結(jié)合成功揭穿了突出煤層[1-4]。程建圣理論分析了豎井揭煤發(fā)生煤與瓦斯突出的機(jī)理，并運(yùn)用RFPA軟件分析了相同條件下不同直徑井筒揭煤時(shí)最大、最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力隨井筒直徑變化的關(guān)系[5]。余福德、魏平儒等在總結(jié)豎井瓦斯突出事故教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，提出了豎井揭煤的防突措施，并提出完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范的建議[6-7]。李忠虎研究了豎井在揭大傾角煤層時(shí)瓦斯治理技術(shù)[8]。

豎井揭煤工作面周?chē)鷳?yīng)力與位移的變化對(duì)防治瓦斯突出至關(guān)重要，但是由于受現(xiàn)場(chǎng)及技術(shù)的限制，應(yīng)力與位移的真實(shí)變化情況很難采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定的方法獲得，而FLAC3D等數(shù)值模擬軟件為研究豎井揭煤工作周?chē)鷳?yīng)力與位移的變化提供了有效的研究手段。本文結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和瓦斯突出防治措施，加強(qiáng)了對(duì)豎井揭煤過(guò)程中煤與瓦斯突出的認(rèn)識(shí)，對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)背景與計(jì)算模型

某礦的主立井即將揭煤與瓦斯突出的8#煤，該地點(diǎn)的煤層埋深為850 m。本次數(shù)值模擬主要以該地點(diǎn)的地層條件為原型，利用FLAC3D軟件構(gòu)建三維計(jì)算模型。為了簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，對(duì)實(shí)際地層條件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。為了減弱邊界效應(yīng)的影響，同時(shí)考慮對(duì)頂、底板巖層影響的協(xié)調(diào)性，本次建立的模型尺寸長(zhǎng)72 m，寬72 m，高92 m。

本次模型共劃分了46 800個(gè)單元和47 886個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體劃分方法見(jiàn)圖1。模型的具體邊界條件如下：上部為應(yīng)力邊界，底部為全約束邊界，前、后、左、右均為單約束邊界，上部邊界條件上施加的是上部巖體載荷重力。在煤層中厚面上設(shè)置一條觀測(cè)線，觀測(cè)距豎井工作面不同距離條件下煤層的垂直應(yīng)力變化情況。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果與應(yīng)用分析

2.1 垂直應(yīng)力與位移分布云圖

數(shù)值模擬的過(guò)程中，分別選取豎井工作面與煤層垂距為20 m、12 m、5 m三種情況下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取的剖面為XZ剖面，具體的垂直應(yīng)力位移分布云圖見(jiàn)圖2，3，4。

a) 垂直應(yīng)力云圖 b) 垂直位移云圖

a) 垂直應(yīng)力云圖 b) 垂直位移云圖

a) 垂直應(yīng)力云圖 b) 垂直位移云圖

根據(jù)垂直應(yīng)力云圖可知：豎井工作面下方煤巖體存在一個(gè)卸壓區(qū)，大致成漏斗狀，煤巖體的卸壓程度隨著遠(yuǎn)離豎井工作面中心而下降；在井筒四周、豎井工作面前后存在應(yīng)力集中區(qū)，同一標(biāo)高處，井壁四周的集中應(yīng)力分布是不同的，傾斜煤層沿傾向以井軸為界分為兩部分，上側(cè)區(qū)域的應(yīng)力集中度及影響范圍較下側(cè)區(qū)域大。在距煤層法距20 m處，井筒四周、豎井工作面前后應(yīng)力集中范圍為井筒壁外2 m左右，應(yīng)力峰值為22 MPa(圖2)；在距煤層法距10 m處，豎井工作面應(yīng)力集中范圍為井筒壁外約4～5 m，應(yīng)力峰值為24 MPa(圖3)；在距煤層法距5 m處，豎井工作面應(yīng)力集中范圍為井筒壁外4～6 m，應(yīng)力峰值為26 MPa(圖4)。

根據(jù)垂直位移云圖可知：豎井工作面下方煤巖體向上移動(dòng)，位移量與距豎井工作面中心的距離成反比，距井筒中心越近，位移量越大，位移場(chǎng)是與應(yīng)力場(chǎng)基本相對(duì)應(yīng)，大致也成漏斗狀；在距井筒中心距離相等情況下，在井筒四周、豎井工作面前后井壁一定范圍內(nèi)，巖體向井筒中心移動(dòng)量較其他地方小，這是由于該部分煤巖體存在應(yīng)力集中區(qū)所致。

綜上可知：豎井工作面與煤層之間的距離越小，煤層的卸壓程度和卸壓范圍越大。井筒四周、立井工作面前后存在應(yīng)力集中區(qū)；相同標(biāo)高的地方，井筒周?chē)募袘?yīng)力分布是不同的，傾斜煤層上側(cè)區(qū)域由于重力的疊加作用，應(yīng)力集中影響范圍比下側(cè)要大很多；隨著豎井的進(jìn)一步掘進(jìn)，豎井周?chē)募袘?yīng)力影響范圍和程度會(huì)進(jìn)一步增加。

2.2 豎井掘進(jìn)過(guò)程中煤層應(yīng)力的演化過(guò)程

通過(guò)對(duì)豎井工作面周?chē)后w的垂直應(yīng)力與位移分布云圖進(jìn)行分析，獲得了井筒掘進(jìn)過(guò)程中，卸壓區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律。而豎井在掘進(jìn)的過(guò)程中，煤層內(nèi)的應(yīng)力分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，下面利用具體應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，對(duì)煤體內(nèi)應(yīng)力分布的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行分析，具體垂向應(yīng)力變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 煤層垂直應(yīng)力與井筒中心距離的關(guān)系圖

根據(jù)圖5可知：隨著井筒的延伸，煤層與豎井工作面的間距逐漸減小，工作面下方煤巖體卸壓，垂直應(yīng)力的分布呈“V”型分布。煤層距豎井工作面距離越近，煤層卸壓范圍和程度越大；距煤層距離<5 m時(shí)，煤層兩幫開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)范圍、峰值隨距離變小而增加。豎井工作面距離煤層15 m時(shí)，煤層開(kāi)始卸壓，垂直應(yīng)力開(kāi)始降低，應(yīng)力值最小為17.08 MPa(原巖應(yīng)力值為18.5 MPa)，為原始應(yīng)力的93％，卸壓程度小，應(yīng)力分布曲線平緩；距離煤層10 m時(shí)，井筒外緣約2 m范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力下降較明顯，應(yīng)力最小為15.6 MPa，為原巖應(yīng)力的84.3％；井筒外緣約2 m以外，應(yīng)力變化趨勢(shì)平緩；距離煤層5 m時(shí)，井筒外緣約3 m范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力下降較明顯，應(yīng)力最小為14.41 MPa，井筒正下方的煤體卸壓程度繼續(xù)增大；在距井筒外緣4～5 m受應(yīng)力集中影響，應(yīng)力升高，應(yīng)力峰值為18.9 MPa；距離煤層3 m時(shí)，井筒正下方的煤體卸壓程度繼續(xù)增大，最小的垂直應(yīng)力為12.75 MPa，為原始應(yīng)力的68％，在距井筒外緣4～6 m受應(yīng)力集中影響，應(yīng)力升高，應(yīng)力峰值為19.35 MPa。

2.3 豎井揭煤的突出危險(xiǎn)性分析

綜合數(shù)值模擬可知，豎井工作面下方的煤體處于卸壓狀態(tài)；而在井筒四周、豎井工作面前后煤巖體存在應(yīng)力集中區(qū)。豎井揭煤工作面下部存在“漏斗”型卸壓區(qū)。而在井筒四周、立井工作面前后存在應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域由于煤體受壓，導(dǎo)致孔隙降低，因此瓦斯壓力和梯度均增加，進(jìn)一步增加了該區(qū)域煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。如果這部分煤體瓦斯未被提前抽采，高壓的瓦斯可能加速煤體的破壞，拋出煤體，發(fā)生突出。而當(dāng)豎井工作面進(jìn)入煤層一定距離后，此時(shí)煤層兩幫受應(yīng)力集中影響達(dá)到最大，在煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力的作用下，極易造成煤與瓦斯突出事故。

當(dāng)豎井掘進(jìn)入煤層后，煤壁由于受應(yīng)力集中、煤體自身重力的影響，尤其是傾斜煤層的上側(cè)，此時(shí)最容易發(fā)生煤與瓦斯突出的事故?；茨贤鍗徹Q井進(jìn)入煤層后3 m與河南義馬礦業(yè)集團(tuán)孟津煤礦豎井進(jìn)入煤層后2 m的突出事故也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此，在井筒進(jìn)入煤層之前就必須采取加固煤體的措施。

2.4 結(jié)果應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)豎井揭煤突出危險(xiǎn)性分析可知，在施工消突抽排鉆孔前，豎井工作面與煤層之間應(yīng)預(yù)留一定厚度巖柱。對(duì)所揭煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)，所施工的鉆孔應(yīng)布置在井筒卸壓區(qū)域以外，保證所測(cè)數(shù)值能夠真實(shí)反映豎井揭煤的突出危險(xiǎn)程度。抽排鉆孔的控制范圍應(yīng)大于井筒四周應(yīng)力集中區(qū)的范圍，通過(guò)一定時(shí)間的瓦斯抽采，降低控制區(qū)域內(nèi)的煤層壓力和瓦斯含量。在井筒周?chē)纬勺銐虼蟮陌踩褐?，才能確保井筒揭穿煤層時(shí)，安全煤柱將煤與瓦斯突出危險(xiǎn)源隔離在豎井工作面外足夠遠(yuǎn)的位置，使井筒揭煤工作面能安全過(guò)煤層。

根據(jù)豎井工作面附近垂直應(yīng)力與位移變化情況、煤層垂直應(yīng)力變化分析結(jié)果，并結(jié)合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，提出該礦豎井揭8煤層時(shí)施工步驟如下：

1) 與煤層法距10～15 m時(shí)，施工3～5個(gè)地質(zhì)勘探鉆孔，利用該鉆孔探明煤層位置，同時(shí)利用其進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)，測(cè)定煤層瓦斯壓力或瓦斯含量。

2) 法距7 m時(shí)，根據(jù)區(qū)域預(yù)測(cè)情況判斷是否實(shí)施區(qū)域防突措施，區(qū)域防突措施鉆孔需控制巷道輪廓線外12 m，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)保證控制范圍的外邊緣到巷道輪廓線的最小距離不小于5 m；并經(jīng)效果檢驗(yàn)有效后，方可繼續(xù)施工；如檢驗(yàn)無(wú)效，必須繼續(xù)補(bǔ)充區(qū)域防突措施，并再次檢驗(yàn)有效后方可繼續(xù)施工。

3) 法距5 m時(shí)，采用鉆屑解吸指標(biāo)K1和Δh2值對(duì)工作面的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，若有突出危險(xiǎn)則必須采用局部防突措施，如瓦斯排放鉆孔等。經(jīng)局部檢驗(yàn)有效后，在局部措施孔內(nèi)仍需安裝金屬骨架，注入馬麗散等實(shí)現(xiàn)加固煤體。然后恢復(fù)掘進(jìn)，每一循環(huán)施工前必須進(jìn)行效果檢驗(yàn)，如有突出危險(xiǎn)，則必須采取補(bǔ)充措施，直至完全消除突出危險(xiǎn)。

4) 法距1.5～2 m時(shí)，需再次進(jìn)行局部預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)試，只有所有測(cè)試指標(biāo)均小于臨界值時(shí)，方可采取安全措施，利用震動(dòng)放炮揭開(kāi)煤層。

3 結(jié) 論

1) 豎井揭煤工作面下部存在“漏斗”型卸壓區(qū)，卸壓程度由井筒中心向四周逐漸降低；豎井工作面與煤層之間應(yīng)預(yù)留一定厚度巖柱，以保證區(qū)域預(yù)測(cè)鉆孔布置在井筒卸壓區(qū)域以外。

2) 井筒四周、立井工作面前后存在應(yīng)力集中區(qū)，豎井距煤層距離法距5 m時(shí)，煤層兩幫開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)范圍為距井筒外4～6 m，鉆孔控制范圍應(yīng)大于應(yīng)力集中區(qū)范圍。

3) 當(dāng)豎井掘進(jìn)入煤層后，煤壁由于受應(yīng)力集中、煤體自身重力的影響，此時(shí)最容易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。因此在井筒進(jìn)入煤層之前必須采取加固煤體的措施。

4) 本文提出的將井筒揭煤分成四步并分別采取對(duì)應(yīng)措施，可以為其它礦井的井筒揭煤提供借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

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