綜放面初采期高抽巷抽采效果數(shù)值模擬研究

王 成，方月梅，何明禮

(湖北理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北黃石435003)

在煤層開采工程中，因采動卸壓作用，處于卸壓范圍內(nèi)的圍巖將通過采動裂隙網(wǎng)絡(luò)與開采層的采空區(qū)相連通，于是就形成了采動裂隙帶，這是煤礦瓦斯抽放的重點區(qū)域。近年來，一大批有志于煤礦安全生產(chǎn)的專家、教授致力于其中的瓦斯運移規(guī)律研究，其中以瓦斯動力彌散規(guī)律的研究和瓦斯升浮- 擴(kuò)散規(guī)律的研究為代表［1］，為煤與瓦斯安全共采的理論與實踐研究提供了借鑒基礎(chǔ)。

本文以陽泉三礦K8206 超長綜放工作面為背景，針對研究現(xiàn)狀及三礦K8206 瓦斯高抽巷抽放存在的問題，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，找出初采期瓦斯治理最優(yōu)抽放負(fù)壓以及在具體實施中應(yīng)該注意的事項。

1 綜放面開采技術(shù)條件

陽泉礦區(qū)共有16 層煤層，其中3 號、12 號和15 號煤層為主要可采煤層，6 號、8 號、9 號和11 號煤層為局部可采煤層，全部煤層均為高變質(zhì)類無煙煤。陽泉三礦K8206 工作面是陽泉礦區(qū)首個超過250 m 的大采長綜采放頂煤工作面。工作面走向長度為1 579 m，傾斜長度為252.2 m。工作面煤層總厚為7.08 m，凈煤厚為6.71 m，煤層傾角為1°～7°，平均傾角為5°。采用綜放一次采全高的開采方法，采高2.8 m，放頂煤高約3.9 m，工作面平均推進(jìn)速度2～4 m/d，頂板管理采用全部垮落法，K8206 綜放面布置圖如圖1所示。

圖1 K8206 綜放面布置圖

K8206 綜放面鄰近層瓦斯抽采采用“走向高抽巷+后高抽巷”的抽采模式。工作面高抽巷沿11 號煤層布置，與15 號煤層的垂直距離為50～60 m，與回風(fēng)巷水平距離為60 m。在工作面初采期，由于15 號煤層覆巖不能及時跨落至走向高抽巷所在層位，走向高抽巷不能及時抽采下部卸壓的鄰近層瓦斯，故在工作面初采期，布置后高抽巷進(jìn)行抽采。K8206 工作面后高抽巷的布置方式為沿回風(fēng)巷掘進(jìn)方向過切眼按18°傾角繼續(xù)掘進(jìn)20 m 后，再按38°的偽傾角反向起坡往工作面上方掘進(jìn)，并與走向高抽巷末端相連，后高抽巷利用走向高抽巷的抽放負(fù)壓抽采初采期鄰近層卸壓瓦斯。走向高抽巷和后高抽巷的布置方式如圖2所示。

圖2 走向高抽巷和后高抽巷的布置方式

K8206 綜放面通風(fēng)方式采用“U+I(內(nèi)錯尾巷)”型布置方式。內(nèi)錯尾巷沿15 號煤層頂板布置，與回風(fēng)巷的水平距離為28 m，內(nèi)錯尾巷布置方式如圖3所示。

圖3 K8206 綜放面內(nèi)錯尾巷布置方式

2 綜放面瓦斯高抽巷抽采階段劃分

根據(jù)K8206 綜放面高抽巷抽采實際情況、能力的大小以及地質(zhì)條件的變化，綜放面瓦斯涌出特點及高抽巷瓦斯抽放效果可分為5 個階段［2］:綜放面瓦斯初采期、高抽巷瓦斯抽采不力期、高抽巷瓦斯抽采正常期、3 號煤巷道施工影響期和3 號煤已采期。本文僅分析綜放面高抽巷抽采初采期。初采期間，在工作面推進(jìn)40 m 之前，工作面高抽巷基本抽不上瓦斯，風(fēng)排瓦斯量隨著工作面的推進(jìn)逐漸上升［3-4］。

3 初采期高抽巷抽采效果分析

綜放面初采期風(fēng)排瓦斯和抽采瓦斯走勢圖如圖4所示。從圖4 中可以看出，工作面后高抽巷在工作面推進(jìn)20 m 之前根本抽不上瓦斯，在工作面推進(jìn)20 m 時方能抽上1.63 m3/min 的瓦斯，在工作面推進(jìn)32 m 后開始大量抽采瓦斯。后高抽巷幾乎沒有達(dá)到提前抽采鄰近層瓦斯的目的。

K8206 綜放面初采期后高抽巷瓦斯混合量、抽放量及高抽巷抽放濃度與抽放負(fù)壓之間的關(guān)系如圖5～7所示。

圖4 K8206 綜放面初采期風(fēng)排瓦斯和抽采瓦斯走勢圖

圖5 K8206 綜放面初采期后高抽巷混和量與抽放負(fù)壓關(guān)系走勢圖

圖6 K8206 綜放面初采期后高抽巷抽放量與抽放負(fù)壓關(guān)系走勢圖

圖7 K8206 綜放面初采期高抽巷抽放濃度與抽放負(fù)壓關(guān)系走勢圖

從圖5～7 可以看出，工作面推進(jìn)19.9 m時，后高抽巷保持980 Pa 的負(fù)壓，可以抽出54.4 m3/min 的氣體，但抽出的瓦斯?jié)舛葏s較低，僅為25%，這說明此時關(guān)鍵層未發(fā)育到含瓦斯鄰近層，鄰近層瓦斯得不到卸壓，不能涌出。當(dāng)工作面推進(jìn)至32 m 時，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴赏咚沽块_始大量增加，說明此時高抽巷開始大量抽采到鄰近層瓦斯。此現(xiàn)象進(jìn)一步證明了覆巖結(jié)構(gòu)對鄰近層瓦斯涌出的影響［5］。

該階段裂隙尚未完全發(fā)育到高抽巷，抽放阻力很大，工作面推進(jìn)32 m 后若能適當(dāng)提高高抽巷的抽放負(fù)壓，抽放效果可能會更好。

4 數(shù)值分析模型的建立

數(shù)值模擬分析模型的參數(shù)如下［6-8］:模型為六面體:長252.2 m、寬40.0 m、高70.0 m。采煤工作面的尺寸為:長252.2 m、高3 m、寬4.5 m，進(jìn)、回風(fēng)順槽的尺寸為:長20 m、高3 m、寬4.5 m，內(nèi)錯尾巷的尺寸為:長20 m、高和寬均為2 m。內(nèi)錯尾巷相對工作面回風(fēng)順槽的水平距離、垂直距離分別為20 m 和6 m，深入采空區(qū)為1 m，后高抽巷的尺寸為:長50 m、高和寬均為2 m。高抽巷相對工作面回風(fēng)順槽的水平距離、垂距均為60 m。此階段只有后高抽巷發(fā)揮作用。利用GAMBIT 建立工作面三維模型，將坐標(biāo)原點定在模型低面左后側(cè)的頂點。工作面初采期通風(fēng)模型如圖8所示。

圖8 工作面初采期通風(fēng)模型

5 綜放面初采期瓦斯高抽巷抽采效果數(shù)值模擬

本節(jié)模擬在工作面初采期，高抽巷處于緩慢底鼓階段，高抽巷抽放效果隨抽放負(fù)壓的變化關(guān)系。由于受不同抽放負(fù)壓的瓦斯抽放效果圖區(qū)別不大，并且文章篇幅有限，本節(jié)僅列出在高抽巷抽放負(fù)壓為3 000 Pa 時的效果云圖。工作面初采期不同抽放負(fù)壓下的抽放效果如表1所示。

表1 工作面初采期不同抽放負(fù)壓下抽放效果

X =60 m 且在Z 軸方向上取Z =1 m，Z=7 m，Z =61 m 的平面，分別表征采空區(qū)、內(nèi)錯尾巷與高抽巷所在面的濃度與速度圖，如圖9～13所示。進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯尾巷、高抽巷與工作面的位置在圖中已標(biāo)出。

圖9 初采期采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊戎稻€云圖

圖10 初采期采空區(qū)瓦斯運移速度等值線云圖

圖11 初采期后高抽巷瓦斯?jié)舛鹊戎稻€云圖

圖12 初采期后高抽巷速度等值線云圖

圖13 初采期尾巷濃度等值線云圖

1)由圖9 和圖10 可知:①在采空區(qū)垂直高度上，采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S高度的增加而增加，瓦斯?jié)舛葹?.95%～89.6%，后高抽巷所在層位瓦斯?jié)舛葹?7.2%～85.2%，瓦斯?jié)舛缺容^高，說明頂板裂隙尚未完全發(fā)育至后高抽巷。后高抽巷所在層位A 與普通層位B 相比，瓦斯?jié)舛缺绕胀▽游籅 要低，速度比普通層位B 要高，說明后高抽巷起到了抽放上鄰近層瓦斯的作用;②在采空區(qū)水平面上及走向方向上，從工作面到采空區(qū)深處，瓦斯?jié)舛戎饾u升高，瓦斯流速逐漸降低;在傾斜方向上，從進(jìn)風(fēng)隅角到回風(fēng)隅角，瓦斯?jié)舛纫苍谥饾u升高。

2)仔細(xì)分析圖11 及圖12 可知，由于后高抽巷的抽放作用，在后高抽巷尾部層位上，靠近工作面及后高抽巷尾部的瓦斯?jié)舛缺戎胁恳?，瓦斯?jié)舛惹€成“U”字形:靠近工作面一側(cè)由于風(fēng)流的作用及采動裂隙發(fā)育的原因使得瓦斯?jié)舛缺韧垢叩闹胁客咚節(jié)舛鹊?，在后高抽巷尾部由于高抽巷抽放作用使得瓦斯?jié)舛缺戎胁恳汀?/p>

3)高抽巷不同負(fù)壓下工作面安全情況及高抽巷抽放效果如表1所示。由表1 可知:工作面初采期由于裂隙未能較好的發(fā)育，高抽巷抽放流量偏低，在模擬最高負(fù)壓3 500 Pa 下混合最高流量僅為163 m3/min。工作面安全條件也不好，除了在最高抽放負(fù)壓3 500 Pa 下回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛任催_(dá)到0.75%，其他模擬條件下均超過0.75%，且尾巷瓦斯?jié)舛然径汲?。對比不同抽放?fù)壓下高抽巷抽放效果及工作面安全條件情況，K8206 大采長工作面初采期高抽巷最優(yōu)抽放負(fù)壓為3 500 Pa 左右。

4)對比初采期高抽巷抽采效果分析可知，提高初采期抽放負(fù)壓可明顯改變高抽巷的抽放效果:初采期在高抽巷抽放負(fù)壓為1 000 Pa 時，高抽巷抽放的瓦斯流量最大可達(dá)60 m3/min，濃度25%，瓦斯純流量15 m3/min，而在模擬中適當(dāng)提高高抽巷抽放負(fù)壓后，高抽巷抽放的瓦斯在濃度及純流量上都有大幅度的提高。

6 結(jié)論

1)在工作面初采期，采動裂隙尚未充分發(fā)育至高抽巷，工作面主要靠后高抽巷抽出瓦斯，且高抽巷處于緩慢底鼓階段，底鼓量較小。高抽巷抽放阻力大，通過數(shù)值模擬研究工作面初采期高抽巷理想抽放負(fù)壓為3 500 Pa 左右。

2)為了提升瓦斯高抽巷抽放效果，后高抽巷的密閉是其中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，密閉墻必須嚴(yán)密不漏風(fēng)，否則會造成后高抽巷與工作面切巷相貫通，影響高抽巷及后高抽巷的瓦斯抽放效果，造成尾巷及上隅角瓦斯超限。

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