屯兰煤矿开采保护层的方案优选分析

刘 超

（西山煤电 安监局，太原 030053）

1 屯兰煤矿瓦斯概况

屯兰煤矿2012年瓦斯等级鉴定结果：瓦斯绝对涌出量223 m3/min，瓦斯相对涌出量39.71 m3/t，属煤与瓦斯突出矿井，核定生产能力353万t/a。矿井瓦斯涌出量随着产量递增及采掘加深逐年增大，当前采区最大相对瓦斯涌出量已达75.9 m3/t，并在南五盘区出现过瓦斯涌出异常及动力现象，且其矿井瓦斯受地层地貌及盖山厚度、地质变化等因素的影响，分布规律呈区域性变化。根据《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等法律和法规的要求，结合该矿煤层地质赋存规律，井下区域瓦斯治理方法，应以保护层开采技术为核心，通过采动卸压瓦斯抽采、消除被保护层的煤与瓦斯突出危险性，实现高瓦斯突出煤层群的安全高效开采。

2 建立数值计算模型

建立计算模型根据屯兰煤矿地层条件，采用FLAC3D软件模拟单独开采2号煤、7号煤和8号煤情况，通过分析相关应力及位移云图，应力与各煤层的相对膨胀变形量等规律，为被保护层的卸压瓦斯抽采提供技术指导。

模型尺寸：长250 m，宽250 m，高180 m，其中2号煤、7号煤、8号煤的采高分别为3.2 m、1.5 m、3.3 m；各开采煤层的底板距上边界分别为145 m、86 m、65 m。工作面走向开采长度135 m，工作面宽105 m，沿工作面走向前后侧各留85 m煤柱。模型底边为固定边界，左、右两侧为位移边界，见图1。模型共分40 000个单元，采用摩尔-库伦屈服准则力学本构模型，各煤岩体物理力学参数见表1。数值计算假定：开挖的动态过程中对应力分布无影响；各煤岩层状分布为均质弹塑性材料。

图1 计算模型边界图

表1 煤岩层的力学参数

3 数值模拟结果分析

3.1 开采2号煤作为保护层

1）采动影响范围分析。据图2和图3知：2号煤回采140 m时，冒落带高度超过30 m，底板裂隙带深度25 m，底板极限卸压深度60 m，因此上覆2号和3号煤层位于冒落带，下伏的4号煤层位于底板裂隙带内，2号、3号和4号煤层的卸压瓦斯将沿采动裂隙涌入2号煤层的采场空间，这便是2号煤层回采工作面瓦斯主要来自邻近层的原因。而8号和9号煤位于极限卸压范围之外，采动应力及位移变化不明显，煤层仍然受原始地应力控制。

图2 2号煤回采140 m垂直应力云图

图3 2号煤回采140 m垂直位移云图

2）8号煤、9号煤应力和膨胀变形分析。由图4和图5知：2号煤回采140 m时，8号煤的顶板和底板的应力变化不大，应力最大变化量由原始的-3.0 MPa降到-2.7 MPa，变化幅度仅10%；9号煤的顶板和底板的应力变化更小，应力最大变化量由原始的-3.5MPa降到-3.2MPa，变化幅度仅8.6%。与此对应，8号煤的最大相对膨胀变形量仅0.35‰，9号煤的最大相对膨胀变形量仅0.1‰。因此可认为开采2号煤对8号煤和9号煤的卸压效果并不明显。

图4 2号煤回采140 m时8号煤、9号煤应力分布曲线

图5 2号煤回采140 m时，8号煤、9号煤膨胀变形曲线

3.2 7号煤层作为保护层

1）采动影响范围分析。据图6和图7知：7号煤回采140 m时，冒落带高度14 m，裂隙带高度超过65 m，底板裂隙带深度20 m，底板极限卸压深度60 m，因此，上覆2号煤层位于裂隙带上边缘，8号和9号煤层位于底板裂隙带。被保护层2号煤的应力和位移均有一定变化；下被保护层8号煤比9号煤的应力和位移变化幅度更大一些。

图6 7号煤回采140 m垂直应力云图

图7 7号煤回采140 m垂直位移云图

2）2号煤、8号煤、9号煤应力和膨胀变形分析。由图8和图9知：7号煤回采140 m时，2号煤的顶板和底板的应力变化一致，应力最大变化量由原始的-1.2 MPa降到-0.3 MPa，卸压幅度75%；8号煤的应力最大变化量由原始的-3 MPa降到-0.5 MPa，卸压幅度83%；9号煤的应力最大变化量由原始的-3.5 MPa降到-1.0 MPa，卸压幅度71%。与此对应，2号、8号、9号煤的最大相对膨胀变形量分别为3.15‰、5.38‰、3.08‰，相对膨胀变形量均大于3‰。根据保护层开采的经验知，7号煤层采高1.5 m时，2号、8号、9号煤采动卸压增透效果显著，可通过卸压瓦斯抽采消除煤与瓦斯突出危险。因此开采7号煤层作保护层，当采高1.5 m时，上保护2号煤层、下保护8号和9号煤层是可行的。

图8 7号煤回采140 m时2号煤、8号煤、9号煤应力应力分布曲线

图9 7号煤回采140 m时2号煤、8号煤、9号煤膨胀变形曲线

3.3 开采8号煤作为保护层

1）采动影响范围分析。据图10和图11知：8号煤回采140 m时，冒落带的高度超过30 m，裂隙带高度超过60 m，底板裂隙带深度25 m。因此，上覆2号煤层位于裂隙带上边缘，下覆9号煤层位于底板裂隙带，2号和9号煤的应力和位移均有较大变化。

图10 8号煤回采140 m垂直应力云图

图11 8号煤回采140 m垂直位移云图

2）2号煤、9号煤应力和膨胀变形分析。由图12和图13知：7号煤回采140 m时，2号煤的顶板和底板应力变化基本一致，应力最大变化量由原始的-1.2 MPa降到-0.3 MPa，应力下降幅度75%；9号煤的应力最大变化量由原始的-3.5 MPa降到-0.4 MPa，变化幅度89%。与此对应，2号煤的最大相对膨胀变形量3.1‰，9号煤的最大相对膨胀变形量6‰。根据以往保护层开采经验，作为下被保护层的9号煤层卸压效果非常显著，可用卸压瓦斯抽采消除煤与瓦斯突出危险；作为上被保护层的2号煤层卸压效果也很充分，因与8号煤层层间距较大，需用卸压瓦斯强化抽采消除煤与瓦斯突出危险。但因8号煤在部分盘区具有煤与瓦斯突出危险性，若将8号煤层作为保护层，首先需要消除煤与瓦斯突出危险性。

图12 8号煤回采140 m时2号煤、9号煤应力分面曲线

图13 8号煤回采140 m时2号煤、9号煤膨胀变形曲线

4 结论

通过数值计算对保护层的各个开采方案进行了可行性评估，计算结果汇总如表2所示。①2号煤与8号煤层间距95.4 m、与9号煤层间距114 m，远大于《防治煤与瓦斯突出规定》的上保护层最大层间距为50～60 m，根据以往开采实践，开采2号煤对下覆的8号煤和9号煤卸压效果甚微，采动增透增流效果较差，即使采取强化瓦斯抽采，也有煤与瓦斯突出危险。因此开采2号煤层保护下覆的8号和9号煤层是不可行的。②开采7号煤层作保护层，开采高度1.5 m时，2号、8号、9号煤层的采动卸压效果将更显著，且7号煤层无突出危险性，符合“无突出或弱突出煤层保护强突出煤层”的原则。因此开采7号煤层作保护层可作为上下组煤综合治理的首选方法。③开采8号煤层作为保护层，下保护层9号煤卸压效果将很显著，可通过卸压瓦斯抽采消除煤与瓦斯突出危险；上被保护层2号煤卸压效果也很充分，因与8号煤层间距较大，需用卸压瓦斯强化抽采消除煤与瓦斯突出危险。但因8号煤部分盘区具有煤与瓦斯突出危险性，若将8号煤层作为保护层，首先需要消除煤与瓦斯突出危险性。

表2 保护层开采方案比较汇总

[1]卢守青，程远平.红菱煤矿上保护层最小开采厚度的数值模拟[J].煤炭学报，2012（6）：43-47.

[2]李红军.近距离煤层群条件下保护层开采优选数值分析[J].能源技术与管理，2012（8）：31-32.