走向高抽巷合理布置位置參數(shù)研究

張聰華

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

0 引言

隨著近些年煤礦開采機械化程度的提高，采煤工作面的開采強度日益增強，導(dǎo)致高瓦斯礦井面臨的瓦斯威脅加劇，工作面上隅角、回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯超限問題成為影響礦井生產(chǎn)效率和安全的重要因素。高抽巷瓦斯抽采技術(shù)是近些年新興的一種對于解決上隅角瓦斯超限問題非常行之有效的技術(shù)手段，而高抽巷的布置層位、布置方式等是決定其應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。為保證煤礦的安全高效生產(chǎn)，以1228工作面為研究對象，通過數(shù)值模擬、理論計算研究分析其高抽巷的相關(guān)參數(shù)，指導(dǎo)1228工作面瓦斯的治理工作，對于保證高瓦斯工作面的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

山西離柳礦區(qū)某礦主采2、3號煤層，2號煤層厚0～3.13m，平均1.40m，屬全井田穩(wěn)定大部分可采煤層；3號煤層厚度0～1.85m，平均1.00m，屬不穩(wěn)定局部可采煤層；礦井為高瓦斯礦井；2、3、9、10+11號煤層之煤塵均有爆炸危險性；2號煤層屬自燃煤層。礦井現(xiàn)開采2號煤層，礦井開采上組煤時設(shè)一個開采水平，水平標高+585m，2號、3號煤層聯(lián)合開采，1228綜采工作面走向長度1630m，切眼總長184m，切眼實體長176m。煤層采高2.85m，1228工作面采用U型通風(fēng)，即1228運輸巷進風(fēng)，1228材料巷回風(fēng)，1228綜采工作面在掘進期間絕對瓦斯涌出量0.90m3/min，回采期間，絕對瓦斯涌出量9.75m3/min，工作面采用走向高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯的治理方法。

2 高抽巷合理布置參數(shù)理論分析

2.1 高抽巷垂直布置層位

采煤工作面采用自然垮落法管理頂板，采空區(qū)上覆巖層根據(jù)其垮落情況，在垂直方向可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[1]，在煤層上部巖層內(nèi)布置用來抽放采空區(qū)瓦斯的高抽巷時，高抽巷與煤層頂板的垂直距離對瓦斯抽采的效果非常關(guān)鍵，采空區(qū)上覆巖層中的裂隙帶，巖塊之間裂隙非常大，空氣連通性運移非常有益，采空區(qū)瓦斯容易在該層位匯集，因此將高抽巷布置在該層位中，將會取得更為理想的瓦斯治理效果，根據(jù)生產(chǎn)礦井地質(zhì)報告得知2#煤頂板屬于中硬圍巖，則其冒落帶和裂隙帶的計算公式如下[2]：

冒落帶：

裂隙帶：

式中：m為工作面采高，1228工作面平均采高為2.85m，代入式（1）計算可得1228工作面采空區(qū)上覆巖層冒落帶高度為15.29～19.69m，裂隙帶發(fā)育高度為29.33～40.52m，由此可知，1228工作面采空區(qū)上覆巖層裂隙帶發(fā)育范圍為20～41m，走向高抽巷與煤層頂板的距離應(yīng)盡量處于該范圍內(nèi)。

2.2 高抽巷水平布置參數(shù)理論分析

走向高抽巷通常布置在采煤工作面兩個回采巷道之間，由于工作面回風(fēng)巷道一側(cè)瓦斯?jié)舛认鄬^高，有益于高抽巷對于采空區(qū)瓦斯的抽采，因此高抽巷布置在回風(fēng)巷一側(cè)，即1228材料巷一側(cè)，但是高抽巷與1228材料巷的距離不易太小，距離過小易導(dǎo)致高抽巷的風(fēng)流和回風(fēng)風(fēng)流聯(lián)通，導(dǎo)致回采巷道漏風(fēng)，將影響工作面瓦斯的排放，根據(jù)相關(guān)的文獻，高抽巷水平布置位置的理論計算模型如圖1所示。

圖1 高抽巷水平布置位置理論計算模型

高抽巷與1228材料巷水平距離計算公式[3]：

式中：S為高抽巷距1228材料巷的水平距離；△L為高抽巷抽采瓦斯充分卸壓的范圍；L1為確保高抽巷圍巖穩(wěn)定的水平投影長度；X為采煤工作面傾斜長度，1228工作面為184m；L距離1228材料巷不卸壓的水平投影長度；L=，H為工作面采高，為2.85m，β為采空區(qū)上覆巖層卸壓角，為72.5°，則 L=9.0m；L1=，α為上覆巖層冒落角，為67.5°，則L1=6.9m；以上參數(shù)代入式（4）計算可得△L=17.44m，則高抽巷距1228材料巷的水平距離S=24.34m。由此可知，為保證高抽巷抽采的獨立性，其與1228材料巷的水平距離不小于24.34m，此外，高抽巷距離1228材料巷的水平距離要小于工作面長度的1/3（61.33m），則走向高抽巷和1228材料巷的水平距離應(yīng)在24～61m范圍內(nèi)較合理。

3 高抽巷合理布置參數(shù)模擬研究

高抽巷的布置層位最終歸結(jié)于對采空區(qū)瓦斯抽采效果的影響，為更加準確的確定1228工作面高抽巷的合理布置層位，以求達到較好的瓦斯抽采效果，采用Fluent模擬軟件對不同高抽巷位置條件下采空區(qū)瓦斯抽采效果進行模擬分析[4]，首先采用Workbench-Geometry前處理器建立采空區(qū)物理模型，然后采用Mesh進行網(wǎng)格的劃分，設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)、邊界條件，然后通過Fluent進行求解。整個模型尺寸為190m（寬）×240m（長）×49m（高），高抽巷抽采負壓為7.5kPa，進風(fēng)口配風(fēng)量為35m3/s，出風(fēng)口為自由出口，高抽巷設(shè)置為壓力出口。首先對高抽巷的垂直層位進行模擬分析，參考理論計算的結(jié)果，設(shè)計高抽巷距離煤層頂板分別為24m、28m、32m、36m，高抽巷距離1228材料巷的水平距離設(shè)置為30m。

圖2 1228工作面采場網(wǎng)格模型

不同垂距條件下高抽巷內(nèi)瓦斯抽采純量、抽采濃度及上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓P(guān)系如圖3所示，隨著高抽巷與煤層頂板垂直距離的增大，上隅角瓦斯?jié)舛燃案叱橄锍椴赏咚節(jié)舛瘸尸F(xiàn)逐漸增大的趨勢，而瓦斯抽采純量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，對于該種現(xiàn)象可進行如下解釋，當(dāng)高抽巷與煤層頂板垂距為24～28m之間時，高抽巷靠近采空區(qū)，高抽巷處于裂隙帶的中下部，能有效抽采工作面瓦斯，故上隅角瓦斯?jié)舛容^低，但是由于回風(fēng)巷的漏風(fēng)導(dǎo)致瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞枯^低，對于裂隙帶中上部的瓦斯抽采效果不佳；當(dāng)高抽巷布置在距離煤層頂板32m處，高抽巷位于裂隙帶中上部，能夠有效抽采整個裂隙帶的瓦斯，因此瓦斯純量和濃度增高，由于距離工作面較遠，因此工作面上隅角的瓦斯?jié)舛容^高；當(dāng)高抽巷距離煤層頂板36m時，高抽巷位于裂隙帶上部，距離采空區(qū)較遠，采空區(qū)瓦斯上浮受到較大的阻力，采空區(qū)的瓦斯不能及時抽排，因此瓦斯的抽采純量和抽采濃度下降；綜上所述，高抽巷抽采后上隅角的瓦斯?jié)舛染∮?%，滿足要求，當(dāng)高抽巷布置在垂距為32m時，對于采空區(qū)瓦斯的抽采效果最佳，因此確定高抽巷最佳布置垂距為38m。

圖3 不同垂距下數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計

圖4 不同水平距離條件下模擬結(jié)果統(tǒng)計

為確定高抽巷平面最佳的布置位置，參考理論計算的距1228材料巷合理范圍為24～61m，對距1228材料巷水平距離為 25m、35m、45m、55m條件下的抽采效果進行模擬分析，模擬時高抽巷距底板的垂直距離為32m。通過對數(shù)值模擬結(jié)果整理得到圖4，由圖可以看出，隨著高抽巷與1228材料巷水平距離的增大，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u增大，主要由于高抽巷距離上隅角距離越來越大；瓦斯抽采純量和濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)高抽巷距1228材料巷較近時，材料巷部分風(fēng)流會涌入高抽巷，導(dǎo)致高抽巷無法抽采高濃度的瓦斯，因此隨著水平距離增大，瓦斯的抽采純量和濃度逐漸增大；當(dāng)水平距離大于35m時，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛扔行娣e在縮減，且上隅角瓦斯?jié)舛葘⒕S持在較高的水平。綜上分析，顯然將高抽巷布置在距離1228材料巷35m處時是最合理的。

4 結(jié)論和建議

針對高瓦斯礦井，為使走向高抽巷取得良好的瓦斯治理效果，通過理論分析計算得到高抽巷距煤層底板合理垂距的范圍為20～41m，高抽巷與1228材料巷合理水平距離的范圍為24～61m，采用Fluent模擬軟件對不同垂距、水平距離條件下的抽采效果進行研究，進一步確定高抽巷布置在距采空區(qū)底板32m，距1228材料巷水平距為35m處的位置為高抽巷布置的最佳位置。研究結(jié)果為1228工作面高抽巷的布置提供可靠依據(jù)。后期的瓦斯抽采驗證了高抽巷位置的合理性。