寺家莊礦15106 工作面頂板低位抽放巷合理層位研究

劉繼勇

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司，山西 陽泉045000）

許多大型煤礦“一礦一線兩面”的高效開采模式，加大了工作面的產(chǎn)量，但瓦斯問題逐漸凸顯[1-3]，事故時有發(fā)生。高抽巷瓦斯抽采作為一種主要的抽采方法，具有抽采純量高、影響半徑大、服務(wù)年限長的特點，合理的高抽巷布置方式能夠有效降低上隅角及回風巷中的瓦斯?jié)舛?，保證安全生產(chǎn)，許多學(xué)者對此進行過研究[4-6]。錢鳴高[7]院士在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上闡述了采空區(qū)孔隙“O”型圈分布特征，姜福興[8]教授推導(dǎo)出了巖層質(zhì)量指數(shù)。高延法[9]教授研究了巖移“四帶”模型，這對計算和解釋導(dǎo)水斷裂帶的形態(tài)和高度都有很大的幫助。楊楓[10]等對比了高位鉆孔、高抽巷以及采空區(qū)抽采鉆孔3 種抽采方式，認為高抽巷能夠有效控制上隅角瓦斯?jié)舛?，提高了工工作面回采效率。徐永佳[11]以首山一礦為研究對象，根據(jù)傾向覆巖理論建立了裂隙發(fā)育模型，計算出了高抽巷最終的合理位置。王偉、程遠平、劉洪永[12]等基于sigmoid 函數(shù)建立了采空區(qū)滲流模型，應(yīng)用CFD 動態(tài)模擬軟件模擬了高抽巷抽采條件下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律。為解決下溝煤礦ZF301 工作面瓦斯超限的問題，宋衛(wèi)華[13]等應(yīng)用FLUENT 軟件模擬了頂板高抽巷不同空間位置時的抽采效果，在現(xiàn)場實踐最佳方案后，上隅角瓦斯超限問題得到了有效的控制。以寺家莊礦15106 工作面為研究對象，該工作面同時存在抽采鄰近層瓦斯涌出的高位抽放巷與控制上隅角瓦斯?jié)舛鹊牡臀怀榉畔铮诓煽諈^(qū)“O”型圈垮落分布規(guī)律以及關(guān)鍵層理論，應(yīng)用理論計算、實驗研究、數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試現(xiàn)結(jié)合的方法，優(yōu)化該工作面低位抽放巷布置工藝，解決上隅角瓦斯積聚問題。

1 相似模擬

1.1 工作面概況

寺家莊煤礦15106 綜采工作面在+510 m 水平，主采15#煤層平均厚度為5.4 m，平均埋深為480 m。工作面設(shè)計走向長度1810.6 m，工作面長206 m。預(yù)計本工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量為189 m3/min，其中，鄰近層瓦斯涌出量為144 m3/min，本煤層瓦斯涌出量為45 m3/min，只考慮本煤層瓦斯涌出及低位抽放巷抽采。15106 綜采工作面存在2個地面鉆孔，綜合得到采面覆巖巖性及厚度。

1.2 相似模擬實驗

根據(jù)“O”型圈理論可知，優(yōu)化設(shè)計抽放巷空間位置前應(yīng)確定離層裂隙區(qū)范圍，使抽放巷布置在此范圍內(nèi)。相似模型實驗臺尺寸為3 m×0.25 m×2 m。設(shè)定模型與實體之間的幾何相似比為200、時間相似比為14.14、應(yīng)力相似比為320。相似材料為沙子、石灰、石膏和水，基于覆巖巖性及厚度，按照相似比配比模型材料。

測量相似模型試驗得到的覆巖破斷角與回采距離關(guān)系如圖1，可工作面回采過程中切眼側(cè)破斷角穩(wěn)定在60°，回采側(cè)破斷角在43°～68°波動，平均54°。測量實驗?zāi)Ｐ汀癘”型圈離層區(qū)域?qū)捈s為20 m，相似模擬實驗結(jié)果如圖2。

圖1 覆巖破斷角與回采距離關(guān)系圖Fig.1 Relation diagram of rock stratum fracture angle and mining distance

圖2 相似模擬實驗結(jié)果圖Fig.2 Similar simulation results

寺家莊礦為突出礦井，按照防突規(guī)定巖巷與煤層垂直距離應(yīng)大于5 m，垂距過高不利于上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂?，與回風巷越近越有利于下行鉆孔施工，綜合考慮，低位抽放巷垂距應(yīng)為5～9 m，低位抽放巷最佳位置示意圖如圖3。

圖3 低位抽放巷最佳位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimum location of low drainage roadway

低位抽放巷應(yīng)落于圖中綠色區(qū)域，則內(nèi)錯距L取值范圍為：

式中：Hg為低位抽放巷高度，取3 m；Lg為低位抽放巷寬度，取4.5 m；LO為“O”型圈離層裂隙區(qū)寬度，取20 m。

代入數(shù)據(jù)后可以得到0.8 m≤L≤21.5 m。則15106 工作面低位抽放巷位置應(yīng)該為距回風巷垂距5～9 m，內(nèi)錯距0.8～21.5 m。

2 模型建立及模擬結(jié)果

2.1 模型及邊界條件

模型建立基于連續(xù)性方程、動量方程、組分守恒方程和standard k-ε[14]湍流方程建立的數(shù)學(xué)模型。為了既能夠準確反映采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的同時又盡可能的簡化計算過程，作出理想化假設(shè)[15]。依據(jù)現(xiàn)場實際情況，簡化采空區(qū)模型，幾何模型參數(shù)見表1。

表1 幾何模型參數(shù)表Table 1 Geometric model parameters table

依據(jù)相似模擬實驗及理論計算結(jié)果，設(shè)置低位抽放巷距工作面頂板垂距分別為5、7、9 m，與回風巷內(nèi)錯距分別為1、2、3、4、5、7、9、20、30 m。應(yīng)用Gambit 軟件對幾何模型進行submap 類型網(wǎng)格劃分，進、回風巷網(wǎng)格步距為0.5 m，網(wǎng)格共480 個，采空區(qū)網(wǎng)格步距為1 m，網(wǎng)格共286 092 個，幾何模型網(wǎng)格圖如圖4。

圖4 幾何模型網(wǎng)格圖Fig.4 Geometric model grids diagram

模型為湍流模型的k-epsilon 中的standard 模型，材料為瓦斯和空氣的混合物；工作面與采空區(qū)交界面設(shè)置為內(nèi)部界面，重力設(shè)置為-9.8 m/s2。

1）進風巷的入口設(shè)置為速度入口并設(shè)置風速，水力直徑和湍流強度，依據(jù)計算公式得出：風速取2.9 m/s、水力直徑為3.6 m、湍流強度為3.1。

2）回風巷出口設(shè)置為自由出流。

3）工作面、進回風巷、采空區(qū)均設(shè)置為流體區(qū)域，將采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域、層流區(qū)域，設(shè)置瓦斯源項。

4）瓦斯涌出量為45 m3/min，瓦斯源項設(shè)為均勻涌出，采空區(qū)瓦斯總源項為1.35×10-5kg/（m3·s）。

5）設(shè)置低位抽放巷出口為風扇條件并依據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)置負壓為3 kPa。

6）將孔隙率和滲透率編寫為Fluent 中的UDF程序，即可實現(xiàn)采空區(qū)孔隙率和黏性阻力系數(shù)的非均質(zhì)分布，孔隙率符合“O”型圈分布規(guī)律[16-20]。

根據(jù)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀使用規(guī)范》要求，甲烷傳感器距頂板不得大于300 mm，距巷道側(cè)壁不得小于200 mm[14]，在上隅角位置設(shè)置監(jiān)測點監(jiān)測上隅角瓦斯?jié)舛?，坐標為?，-99.8，14.45），該點距離頂板200 mm，距離巷道側(cè)壁200 mm；在低位抽放巷負壓口設(shè)置監(jiān)測面，監(jiān)測巷道內(nèi)抽放瓦斯?jié)舛燃傲髁俊?/p>

2.2 模擬結(jié)果

模擬無抽放巷時，采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖如圖5。

圖5 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖Fig.5 Distribution chart of gas concentration in goaf

無抽放巷抽采時，采空區(qū)進風巷處A 點范圍瓦斯?jié)舛茸畹?，回風巷上部的B 點范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡邽?6%。工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?%，達到瓦斯預(yù)警。

加入低位抽放巷時，低位抽放巷與煤層頂板垂距為7 m，與回風巷內(nèi)錯距3 m 時的瓦斯分布如圖6。

圖6 低位抽放巷垂距7 m，內(nèi)錯距3 m 時的瓦斯分布圖Fig.6 Gas distribution of 7 m vertical distance and 3 m horizontal distance of low drainage roadway

加入低位抽放巷抽采后，采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@降低，僅在采空區(qū)內(nèi)部回風巷上方存在小部分高瓦斯?jié)舛确秶嫌缃峭咚節(jié)舛茸兓鐖D7，低位抽放巷純瓦斯流量變化如圖8。

圖7 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.7 Change in gas concentration in the upper corner

圖8 低位抽放巷純瓦斯流量變化Fig.8 Change of pure gas flow in low drainage roadway

由圖7、圖8 可知，當?shù)臀怀榉畔锱c煤層頂板垂距一定時，上隅角瓦斯?jié)舛入S內(nèi)錯距加大先降低后升高，低位抽放巷內(nèi)純瓦斯流量變化趨勢與之相反。當?shù)臀怀榉畔飪?nèi)錯距小于3 m 時，其位置恰好處于破斷角范圍外，裂隙發(fā)育不完整，抽采效果較差；當內(nèi)錯距在3～9 m 時，此時低位抽放巷恰好處于采空區(qū)“O”型圈離層裂隙區(qū)，裂隙發(fā)育，抽采效果最佳；當內(nèi)錯距大于9 m 時，低位抽放巷無法有效的阻擋采空區(qū)瓦斯流入工作面，抽采效果逐漸下降。

當?shù)臀怀榉畔锱c回風巷內(nèi)錯距一定時，上隅角瓦斯?jié)舛入S著垂距的增加先降低后升高，是因為低位抽放巷垂距過高時無法對低層位瓦斯涌入工作面起到攔截作用。低位抽放巷內(nèi)純瓦斯流量隨著垂距的增加逐漸增加，主要是煤層回采過程中，上覆巖層會產(chǎn)生兩類裂隙，瓦斯在升浮效應(yīng)的作用下由低層位流向高層位，使高層位瓦斯量高于低層位。

由模擬結(jié)果可知，低位抽放巷內(nèi)錯距為3～9 m、垂距為7～9 m 時，抽采效果最佳，但考慮現(xiàn)場掘進巷抽采時，低位抽放巷垂距為7 m 時更便于下行鉆孔的實施。由上可以將低位抽放巷層位優(yōu)化為垂距7 m，內(nèi)錯距為3～9 m。

3 現(xiàn)場實測

根據(jù)研究結(jié)果，施工低位抽放巷工作面頂板垂距7.2 m，與回風巷內(nèi)錯距5.1 m，巷道為矩形，寬4.5 m，高2.9 m。掘進完成后在距離巷道口8 m 處施工密閉墻，并安放抽放管路及瓦斯監(jiān)測束管。

在低位抽放巷進行抽采后的30 d 內(nèi)，監(jiān)測上隅角瓦斯?jié)舛燃暗臀怀榉畔飪?nèi)純瓦斯流量，現(xiàn)場實測效果如圖9。

圖9 現(xiàn)場實測效果Fig.9 Field test effect

巷抽采初期效果不佳，因為關(guān)鍵層垮落之前，上覆巖層形成的裂隙較小，并且不斷有采空區(qū)落煤及采煤產(chǎn)生的瓦斯逸散至工作面，造成上隅角瓦斯?jié)舛炔粩嗌撸罡哌_到0.86%，存在超限危險。隨著工作面推進，大裂隙逐漸產(chǎn)生，“O”型圈離層裂隙區(qū)形成，進入正常抽采時期，低位抽放巷抽采純瓦斯流量增加至31.9～37.2 m3/min，平均值為34.7 m3/min；上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低在0.42%～0.49%，平均值為0.47%，實測結(jié)果與模擬結(jié)果相符。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)“O”型圈理論和相似模擬實驗，破斷角約為54°，離層裂隙區(qū)寬度約為20 m，低位抽放巷應(yīng)布置在與工作面頂板垂距5～9 m，與回風巷內(nèi)錯距為0.8～21.5 m。

2）應(yīng)用Fluent 模擬不同位置低位抽放巷抽采效果后，確定低位抽放巷最佳位置為與工作面頂板垂距7 m，與回風巷內(nèi)錯距3～9 m。

3）施工低位抽放巷與工作面頂板垂距7.2 m，與回風巷內(nèi)錯距5.1 m，上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行У乜刂?，基本穩(wěn)定在0.47%，達到了預(yù)期效果，可為其他工作面治理上隅角瓦斯提供借鑒。