孫志國

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

引 言

生產(chǎn)經(jīng)驗表明，卸壓帶寬度的大小，對煤與瓦斯突出的發(fā)生有較大影響。煤與瓦斯突出危險性預(yù)測，實際上是對工作面前方一定范圍內(nèi)的瓦斯壓力和應(yīng)力進(jìn)行檢測，看是否存在有高壓瓦斯源或應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而根據(jù)卸壓帶寬度，判斷卸壓帶是否可以阻止突出的發(fā)生。這是由于，卸壓帶可以控制煤體中瓦斯內(nèi)能和彈性能的釋放[1-3]。一般情況下，卸壓帶寬度較小時，煤體應(yīng)力集中帶就離工作面較近，瓦斯壓力梯度就較大，就較可能發(fā)生煤與瓦斯突出；反之，如果卸壓帶寬度足夠大，工作面前方即使存在有急劇的應(yīng)力集中或高壓瓦斯源，也不會發(fā)生瓦斯突出。目前，鉆孔瓦斯排放、深孔松動爆破、煤層注水等局部防突措施，就是通過人為地擴大卸壓帶的范圍，來實現(xiàn)防止突出的目的[4-5]。目前，煤礦企業(yè)主要是通過直接測定突出危險性預(yù)測指標(biāo)判斷煤礦突出危險，而預(yù)測指標(biāo)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于取樣的深度。因此，為了確定合理的取樣深度，準(zhǔn)確進(jìn)行煤層突出危險性預(yù)測，必須對巷幫煤體瓦斯排放帶寬度展開研究。

1 礦井概況

1.1 煤層賦存

井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，可采煤層為山西組3號煤層和太原組15號煤層，其中，3號和15號煤層為采礦許可證批準(zhǔn)開采的煤層。

1) 3號煤層

賦存于山西組下部，上距K8砂巖26.55 m左右。為該礦現(xiàn)在開采煤層。煤層厚度3.20 m～6.64 m，平均4.96 m，為井田穩(wěn)定可采煤層。多含有0層～2層夾矸，夾矸厚度10 cm～40 cm不等。煤層直接頂板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，偽頂為炭質(zhì)泥巖，底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。

2) 15號煤層

位于太原組下部，直伏于K2石灰?guī)r之下，與3號煤層平均間距87.83 m左右。煤層厚度2.84 m～3.87 m，平均3.37 m，為井田穩(wěn)定可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0層～1層夾矸，夾矸厚度0 cm～56 cm不等。煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，層位穩(wěn)定厚度大，底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。

1.2 開拓方式與瓦斯涌出

1) 開拓方式

礦井采用混合開拓方式，布置有主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井4個井筒。全礦井劃分為2個采區(qū)，一采區(qū)采用一次采全高的采煤方法，二采區(qū)采用分層開采。礦井采用全部垮落法管理頂板。

礦井設(shè)計采用2個水平開采3號、15號煤層，一水平標(biāo)高+596.48 m，開采3號煤層，該水平布置3條大巷：中央軌道運輸大巷、中央膠帶運輸大巷和中央回風(fēng)大巷；二水平標(biāo)高+512 m，開采15號煤層，該水平布置3條大巷：膠帶運輸大巷、軌道大巷和回風(fēng)大巷。

2) 瓦斯涌出情況

礦井采用機械抽出式通風(fēng)方法，通風(fēng)方式為中央分列式，其中，主、副斜井和進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)?；仫L(fēng)立井安裝2臺FBCDZ-8-No26B型對旋軸流式通風(fēng)機，一臺工作，一臺備用。

經(jīng)對3號煤層的煤與瓦斯突出危險性鑒定，伏巖煤業(yè)在+480 m以淺無煤與瓦斯突出危險，礦井屬于高瓦斯礦井。

2 試驗地點概況

結(jié)合礦井實際情況，選定北膠帶大巷和3103運輸順槽為試驗地點，試驗地點布置見圖1。

圖1 試驗地點布置圖

1) 北膠帶大巷概況。北膠帶大巷布置于3號煤層中，巷寬4.5 m，巷高5.0 m。根據(jù)煤層埋深資料，北膠帶大巷埋深350 m～401 m。煤層總厚度4.96 m，煤層傾角1°～8°。工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)無斷層、沖蝕帶、陷落柱及火成巖，對掘進(jìn)作業(yè)無影響。工作面基本頂為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，厚度9.24 m；直接頂為深灰色泥巖，厚度3.68 m；底板為灰黑色泥巖，厚度3.0 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通風(fēng)機壓入式供風(fēng)。

2) 3013運輸順槽概況。3013運輸順槽沿3號煤層頂板掘進(jìn)，巷寬4.5 m，巷高2.7 m。根據(jù)煤層埋深資料，3013運輸順槽埋深310 m～335 m。煤層總厚度4.5 m，煤層傾角1°～8°。工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)無斷層、沖蝕帶、陷落柱及火成巖，對掘進(jìn)作業(yè)無影響。工作面基本頂為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，厚度9.16 m；直接頂為深灰色泥巖，厚3.73 m；底板為灰黑色泥巖，厚度3.11 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通風(fēng)機壓入式供風(fēng)。

3 瓦斯排放帶寬度數(shù)值模擬

根據(jù)實測試驗地點的瓦斯參數(shù)，并結(jié)合瓦斯流動理論，可以利用數(shù)值模擬軟件對巷幫煤體瓦斯排放帶寬度進(jìn)行模擬，得出排放帶寬度數(shù)值，用于確定瓦斯含量實測時測試鉆孔的深度；也可以對不具備試驗條件的情況進(jìn)行模擬，得出相應(yīng)的瓦斯排放帶寬度，為排放帶寬度計算方法的建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文選擇使用Comsol Multiphysics數(shù)值分析軟件來進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 瓦斯壓力、巷道斷面積相同，透氣性系數(shù)不同

設(shè)定原始瓦斯壓力為1.7 MPa，巷道斷面積22.5 m2，當(dāng)煤層透氣性系數(shù)分別為0.1、0.3、0.5、1.0 m2/(MPa2·d)時，對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 變煤層透氣性系數(shù)條件下，瓦斯壓力隨距煤壁表面距離變化關(guān)系圖

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)瓦斯壓力、巷道斷面積及暴露時間相同時，隨著透氣性系數(shù)的增大，相對應(yīng)的瓦斯排放帶寬度也不斷增大。以暴露時間為200 d時模擬結(jié)果來看，煤層透氣性系數(shù)為0.1 m2/(MPa2·d) 時，相應(yīng)巷幫瓦斯排放帶寬度為21 m；透氣性系數(shù)為0.3 m2/(MPa2·d)時，相應(yīng)瓦斯排放帶寬度為25 m；透氣性系數(shù)為0.5 m2/(MPa2·d)時，相應(yīng)瓦斯排放帶寬度為29 m；透氣性系數(shù)為1.0 m2/(MPa2·d)時，相應(yīng)瓦斯排放帶寬度約為38 m。根據(jù)所做模擬實驗來看，當(dāng)煤層透氣性系數(shù)更大值時，相對應(yīng)的瓦斯排放帶寬度更大?？梢?，在其他條件相同時，透氣性系數(shù)增大，則相應(yīng)的瓦斯排放帶寬度增大；透氣性系數(shù)相同時，隨著暴露時間的延長，瓦斯壓力變化梯度逐漸變小。模擬結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 不同透氣性系數(shù)下模擬結(jié)果

3.2 透氣性系數(shù)、巷道斷面積相同，瓦斯壓力不同

設(shè)定煤層透氣性系數(shù)為0.3 m2/(MPa2·d)，巷道斷面積22.5 m2，當(dāng)原始瓦斯壓力分別為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時，對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果見圖3。

圖3 變原始瓦斯壓力條件下，瓦斯壓力隨距煤壁表面距離變化關(guān)系圖

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)煤層透氣性系數(shù)、巷道斷面積及暴露時間相同時，隨著原始瓦斯壓力的增大，相對應(yīng)的瓦斯排放帶寬度也不斷增大。以暴露時間為200 d時模擬結(jié)果來看，當(dāng)瓦斯壓力為0.5 MPa時，相應(yīng)巷幫瓦斯排放帶寬度為12 m；當(dāng)瓦斯壓力為1.0 MPa時，相應(yīng)巷幫瓦斯排放帶寬度為20 m；當(dāng)瓦斯壓力為1.5 MPa時，相應(yīng)巷幫瓦斯排放帶寬度為24 m；當(dāng)瓦斯壓力為2.0 MPa時，相應(yīng)巷幫瓦斯排放帶寬度為29 m?？梢?，在其他條件相同時，原始瓦斯壓力增大，則相應(yīng)的瓦斯排放帶寬度增大；原始瓦斯壓力也相同時，隨著暴露時間的延長，瓦斯壓力變化梯度逐漸變小。模擬結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 不同瓦斯壓力下模擬結(jié)果

4 結(jié)語

隨著礦井開采深度的不斷增加以及綜掘巷道掘進(jìn)速度的增大，礦井瓦斯災(zāi)害問題日益突出。針對綜掘工作面不同于其他掘進(jìn)工藝的特征，本文通過不同巷道、不同暴露時間下不同深度的瓦斯含量實測結(jié)果，分析其回歸規(guī)律，得出了合理的巷幫瓦斯排放帶寬度，為工作面的瓦斯防治工作提供參考。