頂抽巷層位設(shè)計(jì)與優(yōu)化頂抽巷參數(shù)研究

王宜康，趙麗娟*，侯均洪，呂媛媛，李征祥，李 迎

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037009；2.重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147）

瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。結(jié)合同忻礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，頂抽巷抽采是該礦瓦斯治理的主要手段，但是其頂抽巷層位基本是沿著煤層頂板進(jìn)行掘進(jìn)，水平內(nèi)錯(cuò)距離一般為15～20 m，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，頂抽巷瓦斯抽采濃度不到1%，無(wú)法達(dá)到完全抽采的目的[2-4]。因此，合理布置頂抽巷層位，優(yōu)化頂抽巷參數(shù)是當(dāng)前將同忻礦急需解決的問(wèn)題。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

同忻礦8201 綜放工作面位于該礦二盤(pán)區(qū)，所開(kāi)采的煤層是石炭二疊紀(jì)的3-5#煤層。工作面尺寸在走向方向長(zhǎng)2 138 m，在傾向方向長(zhǎng)217.4 m。煤層最薄處2.31 m，煤層最厚處23.42 m，平均煤層厚度達(dá)14.09 m，采用的開(kāi)采技術(shù)為綜放頂煤開(kāi)采。8201 工作面的西部與8202 工作面的采空區(qū)相連，東部為實(shí)煤區(qū)，南部為三條盤(pán)曲大巷，北部為西8101工作面的采空區(qū)。煤層傾角3°～11°。工作面瓦斯含量約2.5～3.0 m3/t。

近年來(lái)，隨著開(kāi)采范圍不斷擴(kuò)大，采空區(qū)區(qū)域也不斷加大，有害氣體向工作面上隅角涌出的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，頂抽巷不能有效截流采空區(qū)中有害氣體涌向工作面，因此，為提高頂抽巷抽采效果，有效解決工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題，提出優(yōu)化頂抽巷布置層位方法，具有重要的實(shí)際意義[5]

2 瓦斯涌出來(lái)源分析方法和估算

為了更好的預(yù)防井下瓦斯事故的發(fā)生，做好礦山安全防治工作，需要對(duì)綜采工作面的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析[6]，通過(guò)對(duì)綜采工作面的瓦斯來(lái)源和瓦斯涌出量進(jìn)行分析和基本估算，可以大致掌握井下瓦斯的基本信息，有助于對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得井下瓦斯的防治效果更加有效。

2.1 分源預(yù)測(cè)法

同忻礦回采工作面采空區(qū)的瓦斯涌出量，可依照塔山煤礦已取得的成果計(jì)算。瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告中僅計(jì)算了同忻煤礦回采工作面的瓦斯涌出量構(gòu)成比例，本設(shè)計(jì)依據(jù)特厚煤層綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告?；夭晒ぷ髅娌煽諈^(qū)的瓦斯涌出量及構(gòu)成比例計(jì)算公式為：

式中：Q空為采空區(qū)瓦斯涌出量，m3/t；q1為開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；λ為工作面放煤比例；取0.76；q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。

8201 工作面位于同忻礦二盤(pán)區(qū)，假設(shè)3-5#煤層北一盤(pán)區(qū)回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量為3.44 m3/t，其中本煤層相對(duì)瓦斯涌出量為2.2 m3/t，鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量為1.24 m3/t。由式（1）計(jì)算得出，采空區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量為2.33 m3/t，采空區(qū)瓦斯涌出量約占8201綜放面瓦斯總涌出量的68%。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法

對(duì)8201工作面的非來(lái)壓期、初次來(lái)壓期、周期來(lái)壓期間，分別進(jìn)行瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定。在工作面上部布置檢測(cè)點(diǎn)，從煤壁到采空區(qū)一共布置三組測(cè)點(diǎn)，其中相鄰兩組測(cè)點(diǎn)直接的距離為6 m，其中一組測(cè)點(diǎn)的布置情況如圖1[7]。將測(cè)得的數(shù)據(jù)處理過(guò)后，按照從左往右序號(hào)依次增大得到的結(jié)果如圖2，于是可得出煤壁和采空區(qū)所涌出瓦斯量在工作面整體風(fēng)流里面所占的比例。計(jì)算公式為：

圖1 瓦斯測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

圖2 回風(fēng)側(cè)橫截面瓦斯?jié)舛确植紙D

式中：k為采空區(qū)向工作面涌出瓦斯占工作面瓦斯總涌出量比例，%；C1為煤壁線到工作面測(cè)點(diǎn)最低趨勢(shì)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛龋?；L1為煤壁線到工作面測(cè)點(diǎn)最低趨勢(shì)點(diǎn)的距離，m；C2為放頂線到工作面測(cè)點(diǎn)最低趨勢(shì)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛龋?；L2為放頂線到工作面測(cè)點(diǎn)最低趨勢(shì)點(diǎn)的距離，m[8]。

經(jīng)計(jì)算，最終得到采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯占工作面瓦斯總涌出量的比例：非來(lái)壓期間72.83%，初次來(lái)壓期間78.65%，周期來(lái)壓期間79.67%。

3 頂抽巷層位理論計(jì)算

為進(jìn)一步分析頂抽巷瓦斯抽采效果受到頂抽巷的層位布置以及頂抽巷與煤層頂板的垂直距離等因素的影響，需要確定頂抽巷的抽采層位以及頂抽巷垂距，如圖3。為方便分析，頂抽巷布置的俯視圖如圖4。

圖3 頂抽巷水平位置示意圖

圖4 頂抽巷布置俯視圖

由圖3 可以得出頂抽巷距離回風(fēng)巷水平投影長(zhǎng)度為：

式中：L為卸壓區(qū)距回風(fēng)巷水平投影長(zhǎng)度，m；ΔL為保證頂抽巷充分卸壓同時(shí)位于采動(dòng)裂隙帶因偏移卸壓帶水平投影長(zhǎng)度，m。

式中：H為頂抽巷距煤層頂板垂直距離，m；α為煤層傾角；β為頂板巖石卸壓角。

頂抽巷要完全落在采動(dòng)裂隙帶中避開(kāi)壓實(shí)區(qū)，則頂抽巷距回風(fēng)巷的水平投影距離s滿(mǎn)足：

式中：X為采煤工作面傾向長(zhǎng)度，m。

頂抽巷距煤層頂板垂直距離為：

式中：H0為冒落帶高度，m。

在8201 工作面推進(jìn)過(guò)后，其結(jié)構(gòu)如圖5，其中A巖塊尚未斷裂，低位關(guān)鍵層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁下易造成瓦斯積聚。通過(guò)分析計(jì)算，將頂抽巷的層位選擇在低位關(guān)鍵層下方，頂抽巷距煤層頂板垂直距離H在16～20 m 之間，可以及時(shí)排放出高濃度瓦斯。

圖5 8201面回采后端部結(jié)構(gòu)

在后續(xù)工作面頂板抽放巷掘進(jìn)期間，考慮到地質(zhì)條件及掘進(jìn)速度等因素影響，抽放巷與煤層頂板垂直方向間距應(yīng)在12～28 m范圍之間。通過(guò)工作面回采期間現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，與相應(yīng)推進(jìn)位置的抽放巷的層位對(duì)比分析可知，將頂抽巷的層位選擇在低位關(guān)鍵層下方，且垂距參數(shù)H為20 m 時(shí)，抽放效果最佳，如圖6。

圖6 頂板抽放巷縱向剖面示意圖

4 頂抽巷層位與抽采效果數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

根據(jù)同忻礦8201 工作面的實(shí)際情況，并對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，使用Gambit建模軟件進(jìn)行建模，得到采空區(qū)及頂抽巷物理模型如圖7。

圖7 8201工作面、采空區(qū)及頂抽巷物理模型

基于同忻礦8201 工作面的煤層傾角為1°～3°之間，屬于近水平煤層，為了使建模方便，這里取煤層傾角為0°。由于井下環(huán)境復(fù)雜，采空區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)域，而工作面、頂抽巷、進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷為流體區(qū)域，所以使用UDF函數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)區(qū)域的滲透率自行定義，使得多孔介質(zhì)區(qū)域的滲漏率沿著走向方向，遠(yuǎn)離工作面時(shí)降低，接近工作面時(shí)升高；頁(yè)在傾向上，使得滲透率在上順槽和下順槽時(shí)高，向中心延展時(shí)不斷降低。

基于采空區(qū)頂抽巷的現(xiàn)實(shí)情況分析，在模擬過(guò)程中，頂抽巷會(huì)出現(xiàn)三種不同的形態(tài)（即巷道基本保存完整；巷道已經(jīng)產(chǎn)生了變形；巷道已經(jīng)充分冒落，但依然受到頂抽巷的影響），故在設(shè)置滲透率時(shí)會(huì)比較復(fù)雜。為了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使得頂抽巷深入采空區(qū)的一部分也看作多孔介質(zhì)區(qū)域，并且使用UDF函數(shù)，將其滲透率大小設(shè)定為比采空區(qū)冒落巖石滲透率大。但由于頂抽巷和采空區(qū)的空間屬性不同，容易產(chǎn)生氣體紊亂，于是對(duì)模型簡(jiǎn)化，如圖8，其尺寸見(jiàn)表1。該模型的流體空間主要是由兩部分組成，分別為工作面的紊流和采空區(qū)的滲流；模型成立需要幾何參數(shù)、抽采參數(shù)和瓦斯?jié)B流參數(shù)等。

表1 8201 工作面物理模型尺寸表/m

圖8 8201工作面、頂抽巷及采空區(qū)簡(jiǎn)化物理模型

需要說(shuō)明的是，在建模的過(guò)程中，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的寬度、高度，工作面的傾向長(zhǎng)度、寬度、高度，都基本符合礦井的實(shí)際長(zhǎng)度。但在設(shè)定進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的長(zhǎng)度時(shí)，為了方便計(jì)算，僅僅截取了靠近工作面一側(cè)30 m 的巷道，并且為了有效模擬頂抽巷的抽采效果，將采空區(qū)圍巖高度設(shè)為80 m，并且將采空區(qū)沿著工作面前進(jìn)方向上截取200 m作為研究對(duì)象。

本次數(shù)值模擬研究的基本假設(shè)條件主要有：①采空區(qū)內(nèi)冒落的巖石滲透率在一定時(shí)間內(nèi)恒定；②采空區(qū)多孔介質(zhì)的滲透率不隨時(shí)間改變；③采空區(qū)內(nèi)的瓦斯和空氣的混合密度一定，并且是一個(gè)常數(shù)；④采空區(qū)內(nèi)的氣體流動(dòng)是穩(wěn)定不變的；⑤采空區(qū)任一點(diǎn)的氣體粘性系數(shù)相同；⑥已經(jīng)冒落的巖體任一點(diǎn)滲透率相同[9]。

4.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)頂抽巷層位參數(shù)中的變量平距L保持不變，而垂距H不斷發(fā)生變化時(shí)，模擬從上隅角和采空區(qū)深部瓦斯涌出情況，來(lái)分析頂抽巷在不同層位下的瓦斯抽采規(guī)律。其中，工作面中部垂直工作面以及頂抽巷布置的層位下的鄰近平面，作為參考平面。

根據(jù)8201 工作面的實(shí)際情況，頂抽巷與回風(fēng)巷的平距定為20 m，頂抽巷與回風(fēng)巷的垂距分別定為15、30、45 和60 m，頂抽巷抽采口瓦斯?jié)舛确植既鐖D9，頂抽巷抽采口瓦斯?jié)舛入S垂距參數(shù)H的變化趨勢(shì)如圖10。因?yàn)橥咚姑芏刃?，聚集在較高層位，所以抽采口瓦斯?jié)舛入S垂距參數(shù)H的增加而增大。

圖9 8201頂抽巷抽采口瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果分布圖

圖10 頂抽巷抽采口瓦斯?jié)舛入S垂距的變化趨勢(shì)

為更好地分析頂抽巷抽采效果受垂距參數(shù)的影響，模擬實(shí)驗(yàn)特地選取距離采空區(qū)底板2 m 的層位進(jìn)行分析，并且選取距離綜放工作面比較近的點(diǎn)（1，1，2）作為上隅角的考察點(diǎn)，選取點(diǎn)（199，30，2）作為采空區(qū)深部的對(duì)照點(diǎn)，對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11?？梢?jiàn)，隨著8201 工作面頂抽巷垂距的不斷增大，上隅角的瓦斯?jié)舛群筒煽諈^(qū)深部的瓦斯?jié)舛榷汲尸F(xiàn)先下降，然后下降趨勢(shì)變得平緩，最后趨于水平。

圖11 上隅角及采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛入S垂距變化趨勢(shì)

當(dāng)垂距H為15～30 m 時(shí)，抽采口抽到的瓦斯，一部分應(yīng)該是由于自身的懸浮作用漂浮在上面的瓦斯，還有一部分由于抽采時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)流和采空區(qū)的風(fēng)流一起形成的流場(chǎng)然后將其它地方的瓦斯聚集在了此處形成了高濃度瓦斯。所以，在抽出這些瓦斯以后，使得上隅角和采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛认陆怠４送?，隨著垂距H的增加，上隅角和采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛仍诓粩嘞陆?，但還沒(méi)有到達(dá)最佳位置。

當(dāng)垂距H為30～45 m 時(shí)，隨著垂距H的不斷增加，上隅角和采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛认陆档乃俣嚷呌谄骄彶u漸接近最佳位置。所以，此時(shí)不僅可以保證抽出較高濃度的瓦斯，還能防止采空區(qū)的瓦斯向工作面蔓延，使得采空區(qū)深部和上隅角的瓦斯?jié)舛忍幵诎踩侠淼拈_(kāi)采范圍內(nèi)。

當(dāng)垂距H在45 m附近甚至更高的層位時(shí)，上隅角處以及采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛茸兓俾事呌谄骄彙Ｕf(shuō)明隨著頂抽巷垂距參數(shù)的不斷增加，瓦斯?jié)舛炔粩嘞陆担?dāng)增加到一定限度的時(shí)候，這時(shí)頂抽巷垂距參數(shù)繼續(xù)增加，對(duì)瓦斯?jié)舛鹊挠绊懽兊檬治⑷?。?duì)于頂抽巷在不同垂距參數(shù)下測(cè)得的瓦斯?jié)舛茸兓奶攸c(diǎn)，反映了當(dāng)垂距參數(shù)不同時(shí)，頂抽巷抽采的瓦斯來(lái)自不同區(qū)域。

當(dāng)垂距H＞45 m 時(shí)，區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)的作用力減弱，雖然能抽到高濃度的瓦斯，但此時(shí)的瓦斯大多數(shù)都來(lái)自于因?yàn)橥咚棺陨砩细×Χ奂诖颂幍母邼舛韧咚埂Ｋ?，抽采以后?duì)于上隅角和采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛扔绊懖淮?。但是頂抽巷層位的布置?huì)影響到采空區(qū)自燃發(fā)火的問(wèn)題。會(huì)隨著頂抽巷垂距的不斷增加，采空區(qū)自燃發(fā)火的概率也隨之增大。

值得注意的是，在實(shí)際工作中同忻礦是一個(gè)瓦斯含量高的礦井，并且同忻礦的煤層大多是易自燃煤層。所以，考慮在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)該采用較低的垂距進(jìn)行抽采以免發(fā)生瓦斯爆炸問(wèn)題，并且還能滿(mǎn)足采空區(qū)抽采瓦斯的要求。本次的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，在考慮頂抽巷瓦斯抽采效果的同時(shí)，兼顧考慮煤礦瓦斯防滅火的壓力，但更多的還是考慮到瓦斯的抽采效果。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)頂抽巷層位理論計(jì)算，得出頂抽巷層位選擇在低位關(guān)鍵層下方，且垂距H為20 m時(shí)，抽放效果最佳。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，在考慮頂抽巷瓦斯抽采效果的同時(shí)，兼顧考慮煤礦瓦斯防滅火的壓力，隨著頂抽巷垂距的不斷增加，采空區(qū)自燃發(fā)火的概率也隨之增大。所以，綜合考慮頂抽巷垂距H應(yīng)該分布在30 m附近。

（3）綜合分析，頂抽巷層位選擇在低位關(guān)鍵層下方，并且頂抽巷垂距H取20～30 m時(shí)，抽采效果最佳。