淺談王莊煤礦高抽巷布置的參數優(yōu)化

劉志成

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

高抽巷是降低工作面回采過程中瓦斯?jié)舛茸顬橛行У氖侄?，在高瓦斯礦井生產中得到廣泛應用，其原理是在回采工作面頂板中，與回采工作面保持一定垂高、與回風巷相對平行且保持一定水平距離，沿工作面走向布置的抽放瓦斯通道[1-2]。煤層采動后，采空區(qū)上覆巖層會因原有應力遭到破壞，在垂直方向由下至上形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，垮落帶和斷裂帶統(tǒng)稱為裂隙帶[3-4]。裂隙帶的存在為采空區(qū)瓦斯運移和儲存提供了通道和空間，也為高抽巷抽放瓦斯創(chuàng)造了條件，所以按照高抽巷工作原理，高抽巷一般布置在頂板裂隙帶內，并且基于裂隙帶瓦斯積聚位置選擇高抽巷的最佳布置層位，即高抽巷布置的參數優(yōu)化[3]。高抽巷在王莊煤礦生產中的應用，極大降低了瓦斯事故的發(fā)生，提高了工作面安全回采效率，對礦井的安全高效生產具有重要意義。根據王莊煤礦已有開采經驗，高抽巷適宜布設層位為高度與采高比2～8，即適宜高度為13～52 m，但范圍太廣，為了進一步確定高抽巷的最佳適宜位置，本文基于Fluent 軟件對高抽巷的參數進行分析和優(yōu)化選擇。

1 研究區(qū)概況

本文以王莊煤礦9105工作面為研究對象，對高抽巷參數進行優(yōu)化設計，以及高抽巷影響下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律進行探討分析，以期為王莊煤礦的高瓦斯抽采提供技術支撐。9105工作面位于王莊煤礦+540 m水平91采區(qū)，主采二疊系山西組3號煤層，工作面標高377～522 m，煤層普氏系數f=1～3，平均煤厚6.5 m，煤層傾角2～12°，可采儲量1 000萬t，采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝，采放比1∶1.17，工作面設計回采長度3 432 m，切眼長度340 m，采用全錨網支護， 是王莊煤礦首個超大型回采工作面，也是王莊煤礦未來發(fā)展銜接的重要工作面。按照工作面日產量9 000 t計算，開采層瓦斯涌出量34.04 m3/min，鄰近層瓦斯涌出量3.46 m3/min，采空區(qū)絕對瓦斯涌出量約為37.50 m3/min，為了消除瓦斯影響，采用U+高抽巷通風系統(tǒng)，并設置上隅角埋管、順層鉆孔輔助瓦斯抽放。

2 高抽巷距離采空區(qū)底板的最佳垂直距離確定

在高抽巷與回風巷水平距離相同條件下(選擇平距為20 m)，基于Fluent 軟件模擬高抽巷距離采空區(qū)底板垂高15 m、22 m、25 m、32 m、39 m的瓦斯抽放效果。結果見表1和圖1。

表1 距離采空區(qū)底板垂直距離變化時瓦斯抽采效果分析[5]

圖1 高抽巷距離采空區(qū)底板位置變化時瓦斯抽采效果分析

1) 高抽巷與回風巷水平距離20 m情況下，高抽巷與采空區(qū)底板垂距15～25 m范圍內，高抽巷抽采瓦斯純量呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢，而25～39 m區(qū)間內，抽采純量呈現(xiàn)遞減趨勢，并且遞減速度較快。

2) 高抽巷與回風巷水平距離保持20 m不變情況下，隨著高抽巷與采空區(qū)底板垂距的不斷增大，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)遞增趨勢，但遞增速率隨著垂距的增大而降低。

3) 隨著垂高增加，工作面上隅角瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃螅@是由于隨著垂高增加，地層破壞程度逐漸遞減，形成的采空區(qū)瓦斯?jié)B透率逐漸遞減，高抽巷對上隅角內積存的瓦斯控制程度下降。

綜上所述，高抽巷距離采空區(qū)底板的垂直距離為25 m 時，高抽巷抽采瓦斯純量最大，為16.74 m3/min，按照高抽巷設計理念，其目的在于盡可能多的抽放采空區(qū)瓦斯，減少上隅角瓦斯涌出量。所以，根據這一原則，確定高抽巷距離采空區(qū)底板最佳垂高為25 m，此時上隅角瓦斯?jié)舛葹?.73%。按照模擬結果，高抽巷距離采空區(qū)底板垂高為25 m，根據9105已有頂底板綜合柱狀圖看出，煤層底板到31號細砂巖底板的垂直距離是 21.97 m，為了保證高抽巷在細砂巖內掘進，9105 工作面煤層厚度6.5 m，可知高抽巷距離煤層頂板的距離是15.47 m，由于巖層和煤層厚度變化，實際高抽巷布置在煤層頂板10～15 m垂距范圍內。

3 高抽巷距離回風巷的最佳水平距離確定

根據上述模擬分析，高抽巷與采空區(qū)底板垂高25 m左右位置，高抽巷抽放瓦斯效果最佳，為此選擇在高抽巷與采空區(qū)頂板垂高25 m不變的條件下，模擬距離回風巷水平距離10 m、15 m、20 m、25 m、30 m時的高抽巷瓦斯抽采效果，結果見表2和圖2。

表2 距離回風巷不同水平距離瓦斯抽采效果分析[5]

圖2 距離回風巷不同水平距離時瓦斯抽采效果分析

1) 在垂直距離25 m保持不變的情況下，高抽巷距離回風巷水平距離10～30 m范圍內，高抽巷抽采瓦斯純量隨著距離增加呈現(xiàn)先遞增后遞減的規(guī)律，在15 m處抽采瓦斯純量達到最大值16.74 m3/min，高抽巷距離回風巷水平距離為30 m處抽采純量最少為14.53 m3/min。

2) 水平距離逐漸增大的情況下，高抽巷的抽采瓦斯混量逐漸增加，但15 m后增加趨勢不明顯。

3) 同樣情況下，抽采瓦斯?jié)舛纫渤尸F(xiàn)先遞增后遞減的規(guī)律，在水平距離15 m時達到最大值。但上隅角瓦斯?jié)舛入S著水平距離的增大，呈現(xiàn)遞增趨勢。

綜上所述，在垂距保持25 m不變的情況下，高抽巷距離回風巷的水平距離為 15 m時，抽采瓦斯純量和抽采瓦斯?jié)舛榷歼_到最大值，分別為16.74 m3/min 和 13.20%。根據高抽巷設計理念和設計目的，確定高抽巷距離回風巷的水平距離為15 m，此時上隅角瓦斯?jié)舛葹?.73%。在掘進過程中，應當考慮高抽巷的掘進對回風巷應力變化的影響，所以最終選擇高抽巷距離回風巷實際水平距離為12～16 m。

4 9105工作面高抽巷抽采效果分析

通過對王莊礦 9105 工作面高抽巷、風巷2016 -2018年8月份瓦斯抽采數據整理分析，高抽巷最低抽采瓦斯?jié)舛仁?.4%，最高抽采瓦斯?jié)舛仁?5.6%，平均抽采瓦斯?jié)舛仁?2.2%，上隅角瓦斯平均濃度是0.69%，回風流每日瓦斯?jié)舛绕骄?.6%，最大值0.75%，無瓦斯超限現(xiàn)象。而對應數值模擬王莊礦 9105 工作面高抽巷在最佳位置抽采時的瓦斯抽采濃度是13.20%，上隅角瓦斯?jié)舛仁?.73%。由此可知數值模擬結果與現(xiàn)場數據基本吻合，從而驗證了數值模擬方法和結果的可靠性。