余吾礦高抽巷合理位置參數(shù)研究

武海濤

(山西潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 屯留 046100)

近些年通過(guò)不斷加大煤礦開(kāi)采的機(jī)械化程度,使得采煤工作面的采煤強(qiáng)度不斷增大,由此帶來(lái)的安全隱患也不容忽視。高瓦斯礦井的先進(jìn)機(jī)械化開(kāi)采導(dǎo)致瓦斯涌出量非常大,瓦斯超限等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,瓦斯災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的主要隱患。回采工作面或掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量超限會(huì)直接影響煤礦的安全生產(chǎn)和工作效率。因此,有效解決工作面瓦斯超限、上隅角瓦斯積聚等問(wèn)題就成為當(dāng)前研究人員的主要攻關(guān)方向。

張聰華[1]通過(guò)仿真模擬軟件Fluent模擬了高抽巷不同位置的瓦斯抽采,并對(duì)抽采效果進(jìn)行了比較分析;安然等[2]利用采空區(qū)氣體滲流規(guī)律,通過(guò)構(gòu)建模型研究不同位置高抽巷下氧化帶寬度;劉瑞濤[3]研究了頂板高抽巷的圍巖應(yīng)力和形變規(guī)律,進(jìn)一步確定了高抽巷布置的合理位置;張棟等[4]提出了“沿空留巷+高抽巷”聯(lián)合抽采手段,避免了瓦斯涌出異常,達(dá)到了安全開(kāi)采效果;徐永佳[5]、薛智勇[6]在相似模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,探討了高抽巷合理位置的布置原則;解俊祥等[7]采用數(shù)值模擬和實(shí)際相結(jié)合的方式,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)地觀測(cè)確定了卸壓瓦斯抽采鉆孔終孔的合理位置,有效降低了工作面瓦斯?jié)舛取９侔昌埖萚8]以余吾煤業(yè)N1102工作面為對(duì)象,采用數(shù)值模擬的方法,計(jì)算分析了高抽巷內(nèi)瓦斯分布情況,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了采空區(qū)高抽巷的效果。莊小威等[9]分析了余吾煤業(yè)S5207高抽巷受臨近工作面采動(dòng)動(dòng)壓的影響規(guī)律,通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法得到了采動(dòng)影響不同階段的特征。安朝峰[10]研究了高位巷道瓦斯抽采對(duì)煤自燃三帶的影響,采用理論分析的方法得到了高位巷抽采能夠使進(jìn)風(fēng)側(cè)的自燃帶增大,回風(fēng)側(cè)自燃帶減小。李忠等[11]基于“O”形圈理論,提出了走向高抽巷層位的計(jì)算方法,并在陽(yáng)泉礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果相符。范尚崇等[12]為解決黃巖匯煤礦15108工作面回采期間上隅角瓦斯超限問(wèn)題,通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了不同層位下的高抽巷抽采效果,最終確定了高抽巷的層位以及瓦斯治理效果。王建國(guó)等[13]研究了高抽巷對(duì)采空區(qū)注氮放滅火的效果,通過(guò)改變注氮口的位置和注氮量,分析采空區(qū)自燃氧化帶的范圍。張利軍等[14]針對(duì)潞安集團(tuán)漳村礦回采初期瓦斯涌出異常問(wèn)題,采用貫通傾斜高抽巷的方法解決了瓦斯超限的這一問(wèn)題。李忠等[15]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)煤層群回采后的應(yīng)力等特征。梁成等[16]采用Fluent軟件模擬分析了高抽巷的布置參數(shù)對(duì)采空區(qū)瓦斯與氧氣的分布情況。趙林等[17]模擬了高抽巷瓦斯抽采流量和位置不同時(shí),回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律。羅明坤[18]對(duì)比分析綜掘設(shè)備的效果,分析發(fā)現(xiàn),引進(jìn)的設(shè)備效果更好,日均進(jìn)尺數(shù)、施工效率均得到很大提升。

以上學(xué)者對(duì)高抽巷的布置和影響因素做了詳細(xì)的研究工作,但是基于余吾煤業(yè)潞安礦區(qū)S5207工作面的實(shí)際問(wèn)題:臨近工作面以及其周圍巷道對(duì)本工作面高抽巷位置的影響,尚未有學(xué)者對(duì)此類問(wèn)題展開(kāi)研究。

本文以S5207工作面高抽巷為研究背景,結(jié)合理論計(jì)算,通過(guò)數(shù)值模擬研究高抽巷的布置參數(shù),解決臨近工作面以及其周圍巷道對(duì)本工作面高抽巷位置的影響這一問(wèn)題,對(duì)S5207回采工作面的安全生產(chǎn)及同類井下實(shí)際問(wèn)題提供了一定的依據(jù)。

1 高抽巷水平布置參數(shù)計(jì)算

距離煤層頂板的垂距和距離工作面回風(fēng)平巷的水平距離是決定高抽巷位置兩個(gè)主要參數(shù)。公式(1)的計(jì)算可以得到高抽巷水平位置。

lS=[h-(lB+Hcotθ)tanα]sinα+(lB+hcotθ)secα.

(1)

其中:lS為距回風(fēng)巷的水平距離,m;h為距頂板的垂距,m;lB為距O形圈外邊界的距離,可取15～25 m;θ為煤層與裂隙到開(kāi)采邊界連線的夾角,取值為65°;α為煤層傾角,取7°。經(jīng)求,lS=43.81 m。即高抽巷布置參數(shù)h為8.68～35.42 m,lS小于43.81 m。因此,S5207回采工作面布置高抽巷時(shí)應(yīng)基本滿足以下條件:①S5207高抽巷應(yīng)該布置在距工作面煤層頂板9～36 m的范圍內(nèi),距S5207回風(fēng)巷水平距離應(yīng)控制在43.81 m以內(nèi),這主要是裂隙帶的高度。②由于高抽巷需要在工作面整個(gè)回采前以及回采周期內(nèi)持續(xù)工作,必須使得其在工作面掘進(jìn)和推進(jìn)過(guò)程中受到工程擾動(dòng)影響盡可能最小,因此設(shè)置在應(yīng)力降低區(qū)顯得尤為重要。③考慮到整個(gè)工作面是采用U型通風(fēng)的方式進(jìn)行送風(fēng)作業(yè),易在上隅角處形成瓦斯的積聚,在考慮到經(jīng)濟(jì)和瓦斯抽采效果的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量減少高抽巷距回風(fēng)巷的水平距離。

2 模型建立與分析

采用FLAC3D軟件模擬井下開(kāi)采情況,研究在臨近S5206工作面及其高抽巷的影響下,S5207高抽巷逐步開(kāi)挖模型。模型的大小為=500 m×500 m×100 m。S5206高抽巷大小=3 m×3 m,順槽巷道大小=5 m×6 m,S5206工作面模型大小=295 m×440 m×6 m,模型如圖1所示。隨后進(jìn)行計(jì)算至模型穩(wěn)定。

距煤層頂板的垂距h的取值通過(guò)計(jì)算3號(hào)煤層回采工作面上方的裂隙帶高度來(lái)確定。采用工程類比法,結(jié)合相鄰礦井的經(jīng)驗(yàn),h的取值為10 m、15 m、20 m。距S5207回風(fēng)平巷的水平距離lS的取值要根據(jù)高抽巷布置原則、工作面長(zhǎng)度和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件進(jìn)行選擇。本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)lS為5 m、10 m、15 m。總共有高抽巷布置的9種方案,見(jiàn)表1所示。

(a)

(b) 圖1 計(jì)算模型(正視圖)Fig.1 Calculation model (front view)

表1 不同模擬方案Table 1 Simulation plans

3 高抽巷開(kāi)挖應(yīng)力對(duì)比分析

為了分析高抽巷超前應(yīng)力的分布規(guī)律,對(duì)布置在高抽巷前方鉛直方向的測(cè)線應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄,數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后,如圖2所示。

1)從圖2(a)中可看出:垂距為10 m時(shí),高抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為5 m、10 m、15 m,超前垂直應(yīng)力曲線均存在一個(gè)峰值。高抽巷與回風(fēng)巷道內(nèi)錯(cuò)距為5 m時(shí),隨超前距離的變化增長(zhǎng)到5 m時(shí)應(yīng)力增大到峰值為21.5 MPa。隨后,隨著超前距離的增加,超前垂直應(yīng)力迅速降低,巷道超前距離在15 m以后的超前應(yīng)力值降為原巖應(yīng)力,為16.5 MPa。高抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為10 m和15 m時(shí),超前垂直應(yīng)力在超前距離達(dá)到5 m時(shí)達(dá)到峰值,分別為18.5 MPa和18.2 MPa。隨著超前距離的增大,超前應(yīng)力下降,分別降到17.0 MPa和16.7 MPa。

2)垂距增加到15 m時(shí),超前垂直應(yīng)力隨著超前距離的增加表現(xiàn)出先迅速增加達(dá)到峰值后又減小,恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。超前距離為5 m時(shí),回風(fēng)巷的內(nèi)錯(cuò)距為5 m、10 m的超前垂直應(yīng)力達(dá)到最大峰值17.8 MPa。內(nèi)錯(cuò)距為15 m時(shí),超前垂直應(yīng)力在5 m時(shí)達(dá)到峰值16.5 MPa。從圖2(b)中可以看出,隨著內(nèi)錯(cuò)距的增加,超前應(yīng)力的峰值和穩(wěn)定值都會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律的變化趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)3種不同垂距條件下的超前應(yīng)力發(fā)現(xiàn),隨著高抽巷與工作面回風(fēng)巷的內(nèi)錯(cuò)距增大,超前應(yīng)力的峰值和穩(wěn)定值均呈現(xiàn)很明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)垂距為10 m時(shí),內(nèi)錯(cuò)距對(duì)超前應(yīng)力的影響最大。但是內(nèi)錯(cuò)距繼續(xù)由10 m增大到15 m時(shí),超前應(yīng)力的變化量又出現(xiàn)減少。

3)從圖2(c)中可以看出,高抽巷與回風(fēng)巷道內(nèi)錯(cuò)距為5 m、10 m和15 m時(shí),超前垂直應(yīng)力隨超前距離的變化曲線均表現(xiàn)出先增加到一個(gè)小的波峰,隨后有一個(gè)小的下降過(guò)程,又迅速增加大峰值,最后下降并保持一穩(wěn)定數(shù)值附近。高抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為5 m時(shí),超前垂直應(yīng)力在超前距離為8 m左右時(shí)出現(xiàn)最大峰值,為17.2 MPa,隨超前距離的增加,最后降為16.7 MPa左右。高抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為10 m和15 m時(shí),其超前垂直應(yīng)力變化曲線與高抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為5 m時(shí)變化趨勢(shì)基本相同。

綜合分析圖2(a)、(b)和(c)發(fā)現(xiàn),隨著垂距的增加,對(duì)頂板超前應(yīng)力的影響效果也隨之降低。在15 m和20 m的垂距設(shè)置條件下,頂板超前應(yīng)力的峰值和穩(wěn)定值均呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)。當(dāng)高抽巷垂距超過(guò)20 m時(shí),打抽放鉆孔會(huì)增加更大的生產(chǎn)投入成本,而且耗費(fèi)時(shí)間。

(a)垂距為10 m時(shí)的超前應(yīng)力分布

(b)垂距為15 m時(shí)的超前應(yīng)力分布

(c)垂距為20 m時(shí)的超前應(yīng)力分布圖2 不同層位高抽巷超前應(yīng)力分布曲線圖Fig.2 Distribution curves of advance stress of high drainage roadway at different locations

對(duì)布置的水平測(cè)線進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)中可以看出垂距為5 m時(shí),高抽巷距離頂板垂高不同,兩幫側(cè)應(yīng)力與水平距離之間的關(guān)系。垂高為10 m與垂高為15 m和20 m時(shí)兩幫側(cè)應(yīng)力分布曲線存在較大差別。垂高為10 m時(shí),呈現(xiàn)出現(xiàn)迅速上升,在水平距離為3 m時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)小的波峰,隨后增長(zhǎng)速度緩慢,在水平距離為7 m時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)波峰,波峰值達(dá)到20.5 MPa;然后開(kāi)始呈下降趨勢(shì),在水平距離為30 m左右時(shí)出現(xiàn)上升速度較快,出現(xiàn)一個(gè)比較陡的波峰,隨后迅速下降。垂高為15 m和20 m,兩幫側(cè)應(yīng)力曲線形狀相似,垂高為15 m的曲線各點(diǎn)波峰值均高于垂高為20 m的曲線。初始應(yīng)力值也不相同,垂高為15 m的初始側(cè)應(yīng)力值為15.1 MPa,大于垂高為20 m的初始側(cè)應(yīng)力值(13.2 MPa)。從圖3(b)中可以看出,垂距為10 m時(shí),垂高為10 m的側(cè)應(yīng)力曲線變化最明顯。垂高為10 m時(shí)初始側(cè)應(yīng)力值為17.0 MPa,隨著水平距離的增加,兩幫側(cè)應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出先緩慢增長(zhǎng)后緩慢下降,后又逐漸上升,在水平距離為10 m左右時(shí)存在一個(gè)波峰,峰值在19.0 MPa。垂高為15 m和20 m時(shí),兩幫側(cè)應(yīng)力曲線形狀與垂距為5 m時(shí)的曲線相似,只是初始側(cè)應(yīng)力值和側(cè)應(yīng)力降為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的水平距離邊長(zhǎng),在30～35 m范圍內(nèi)。

(a)垂距為5 m時(shí)的側(cè)應(yīng)力分布

(b)垂距為10 m時(shí)的側(cè)應(yīng)力分布

(c)垂距為15 m時(shí)的側(cè)應(yīng)力分布圖3 不同層位高抽巷側(cè)應(yīng)力分布曲線圖Fig.3 Distribution curves of lateral stress of high drainage roadway at different locations

從圖3(c)中可以看出垂距為15 m時(shí),高抽巷距頂板垂高為10 m、15 m和20 m時(shí)兩幫側(cè)應(yīng)力曲線,與垂距為10 m時(shí)變化趨勢(shì)基本相同,初始側(cè)應(yīng)力值和側(cè)應(yīng)力值降為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的水平距離略有不同。隨著垂距的增加,垂高為15 m和20 m的兩幫側(cè)應(yīng)力降低為零時(shí)的水平位移發(fā)生了外移。垂高為10 m時(shí)兩幫側(cè)應(yīng)力值在垂距為10 m和20 m時(shí)變化比較平穩(wěn)。

對(duì)水平測(cè)線進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)中可以看出,垂距為10 m時(shí),高抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為5 m時(shí)頂板垂直應(yīng)力初始值為19.4 MPa,高于內(nèi)錯(cuò)距為10 m和15 m時(shí)的初始垂直應(yīng)力值。隨著垂直距離的增大,垂直應(yīng)力值逐漸減小,在大約28 m處,三條曲線的頂板垂直應(yīng)力值相同,均降到13 MPa左右。從圖4(b)中可以看出,垂距為15 m時(shí),三條垂直應(yīng)力的初始值均減小。內(nèi)錯(cuò)距為10 m和15 m的垂直應(yīng)力曲線基本重合。內(nèi)錯(cuò)距為5 m的垂直應(yīng)力曲線波動(dòng)比較大,最后三條曲線隨著垂直距離的增大,應(yīng)力值保持在12.3 MPa附近。圖4(c)中,內(nèi)錯(cuò)距不同時(shí),三條曲線的初始垂直應(yīng)力值相比于垂距為15 m時(shí),變化很小。頂板的垂直應(yīng)力隨著距離的增大均緩慢下降,最后趨于穩(wěn)定,保持在12.4 MPa附近。

(a)垂距為10 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布

(b)垂距為15 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布

(c)垂距為20 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布圖4 不同層位高抽巷垂直應(yīng)力分布曲線圖Fig.4 Distribution curves of vertical stress of high drainage roadway at different locations

綜合分析,端頭處的垂直應(yīng)力的大小不僅與垂距有關(guān),還隨著內(nèi)錯(cuò)距的增加而降低。尤其是在垂距為10 m時(shí),當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距由5 m增大到10 m時(shí),垂直應(yīng)力降低的變化量最大,約3 MPa;但隨著垂距增加到15 m和20 m,增大內(nèi)錯(cuò)距對(duì)垂直應(yīng)力變化量的影響降低。因此,高抽巷距離S5207工作面頂板10 m垂距的位置最為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

為了確定余吾煤業(yè)潞安西部礦區(qū)S5207工作面高抽巷的位置,確保S5207工作面回采工作時(shí)能夠平穩(wěn)地進(jìn)行瓦斯抽放,并保證工作面的安全與穩(wěn)定,采用FLAC3D建立了S5207高抽巷在臨近S5206工作面及其高抽巷影響下的三維數(shù)值模型。通過(guò)研究分析S5207高抽巷布置在距離工作面回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)5 m、10 m、20 m,與煤層頂板垂距為10 m、15 m、20 m時(shí)的超前垂直應(yīng)力、兩幫垂直應(yīng)力、兩幫側(cè)應(yīng)力的變化來(lái)確定巷道的最佳布置位置。結(jié)果表明:最終確定S5207工作面高抽巷的最佳位置是與煤層頂板垂直距離為10 m,與S5207工作面回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為10 m時(shí)能夠保證其受到合理的地應(yīng)力影響從而保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。