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（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，加大了工作面的產量，但瓦斯問題逐漸凸顯[1-3]，事故時有發生。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濃度，保證安全生產，許多學者對此進行過研究[4-6]。錢鳴高[7]院士在關鍵層理論的基礎上闡述了采空區孔隙“O”型圈分布特征，姜福興[8]教授推導出了巖層質量指數。高延法[9]教授研究了巖移“四帶”模型，這對計算和解釋導水斷裂帶的形態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濃度，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，根據傾向覆巖理論建立了裂隙發育模型，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 函數建立了采空區滲流模型，應用CFD 動態模擬軟件模擬了高抽巷抽采條件下采空區瓦斯分布規律。為解決下溝煤礦ZF301 工作面瓦斯超限的問題，宋衛華[13]等應用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濃度的低位抽放巷，基于采空區“O”型圈垮落分布規律以及關鍵層理論，應用理論計算、實驗研究、數值模擬與現場測試現結合的方法，優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。工作面設計走向長度1810.6 m，工作面長206 m。預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“O”型圈理論可知，優化設計抽放巷空間位置前應確定離層裂隙區范圍，使抽放巷布置在此范圍內。相似模型實驗臺尺寸為3 m×0.25 m×2 m。設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系如圖1，可工作面回采過程中切眼側破斷角穩定在60°，回采側破斷角在43°～68°波動，平均54°。測量實驗模型“O”型圈離層區域寬約為20 m，相似模擬實驗結果如圖2。

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

圖2 相似模擬實驗結果圖Fig.2 Similar simulation results

寺家莊礦為突出礦井，按照防突規定巖巷與煤層垂直距離應大于5 m，垂距過高不利于上隅角瓦斯濃度控制，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

低位抽放巷應落于圖中綠色區域，則內錯距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”型圈離層裂隙區寬度，取20 m。

代入數據后可以得到0.8 m≤L≤21.5 m。則15106 工作面低位抽放巷位置應該為距回風巷垂距5～9 m，內錯距0.8～21.5 m。

2 模型建立及模擬結果

2.1 模型及邊界條件

模型建立基于連續性方程、動量方程、組分守恒方程和standard k-ε[14]湍流方程建立的數學模型。為了既能夠準確反映采空區瓦斯運移規律的同時又盡可能的簡化計算過程，作出理想化假設[15]。依據現場實際情況，簡化采空區模型，幾何模型參數見表1。

表1 幾何模型參數表Table 1 Geometric model parameters table

依據相似模擬實驗及理論計算結果，設置低位抽放巷距工作面頂板垂距分別為5、7、9 m，與回風巷內錯距分別為1、2、3、4、5、7、9、20、30 m。應用Gambit 軟件對幾何模型進行submap 類型網格劃分，進、回風巷網格步距為0.5 m，網格共480 個，采空區網格步距為1 m，網格共286 092 個，幾何模型網格圖如圖4。

圖4 幾何模型網格圖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；工作面與采空區交界面設置為內部界面，重力設置為-9.8 m/s2。

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

2）回風巷出口設置為自由出流。

3）工作面、進回風巷、采空區均設置為流體區域，將采空區設置為多孔介質區域、層流區域，設置瓦斯源項。

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

5）設置低位抽放巷出口為風扇條件并依據現場實際情況設置負壓為3 kPa。

6）將孔隙率和滲透率編寫為Fluent 中的UDF程序，即可實現采空區孔隙率和黏性阻力系數的非均質分布，孔隙率符合“O”型圈分布規律[16-20]。

根據《煤礦安全監控系統及檢測儀使用規范》要求，甲烷傳感器距頂板不得大于300 mm，距巷道側壁不得小于200 mm[14]，在上隅角位置設置監測點監測上隅角瓦斯濃度，坐標為（0，-99.8，14.45），該點距離頂板200 mm，距離巷道側壁200 mm；在低位抽放巷負壓口設置監測面，監測巷道內抽放瓦斯濃度及流量。

2.2 模擬結果

模擬無抽放巷時，采空區瓦斯濃度分布立體圖如圖5。

圖5 采空區瓦斯濃度分布立體圖Fig.5 Distribution chart of gas concentration in goaf

無抽放巷抽采時，采空區進風巷處A 點范圍瓦斯濃度最低，回風巷上部的B 點范圍內瓦斯濃度最高為56%。工作面上隅角瓦斯濃度為5%，達到瓦斯預警。

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，采空區瓦斯濃度明顯降低，僅在采空區內部回風巷上方存在小部分高瓦斯濃度范圍，上隅角瓦斯濃度變化如圖7，低位抽放巷純瓦斯流量變化如圖8。

圖7 上隅角瓦斯濃度變化Fig.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，當低位抽放巷與煤層頂板垂距一定時，上隅角瓦斯濃度隨內錯距加大先降低后升高，低位抽放巷內純瓦斯流量變化趨勢與之相反。當低位抽放巷內錯距小于3 m 時，其位置恰好處于破斷角范圍外，裂隙發育不完整，抽采效果較差；當內錯距在3～9 m 時，此時低位抽放巷恰好處于采空區“O”型圈離層裂隙區，裂隙發育，抽采效果最佳；當內錯距大于9 m 時，低位抽放巷無法有效的阻擋采空區瓦斯流入工作面，抽采效果逐漸下降。

當低位抽放巷與回風巷內錯距一定時，上隅角瓦斯濃度隨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，上覆巖層會產生兩類裂隙，瓦斯在升浮效應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。

由模擬結果可知，低位抽放巷內錯距為3～9 m、垂距為7～9 m 時，抽采效果最佳，但考慮現場掘進巷抽采時，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化為垂距7 m，內錯距為3～9 m。

3 現場實測

根據研究結果，施工低位抽放巷工作面頂板垂距7.2 m，與回風巷內錯距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測束管。

在低位抽放巷進行抽采后的30 d 內，監測上隅角瓦斯濃度及低位抽放巷內純瓦斯流量，現場實測效果如圖9。

圖9 現場實測效果Fig.9 Field test effect

巷抽采初期效果不佳，因為關鍵層垮落之前，上覆巖層形成的裂隙較小，并且不斷有采空區落煤及采煤產生的瓦斯逸散至工作面，造成上隅角瓦斯濃度不斷升高，最高達到0.86%，存在超限危險。隨著工作面推進，大裂隙逐漸產生，“O”型圈離層裂隙區形成，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；上隅角瓦斯濃度逐漸降低在0.42%～0.49%，平均值為0.47%，實測結果與模擬結果相符。

4 結 論

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

2）應用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，與回風巷內錯距5.1 m，上隅角瓦斯濃度得到了有效地控制，基本穩定在0.47%，達到了預期效果，可為其他工作面治理上隅角瓦斯提供借鑒。