走向高抽巷參數(shù)優(yōu)化的理論與模擬研究

劉佳佳， 王 丹， 李 鵬

(1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083;2．黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，開采強(qiáng)度和深度隨之增加，使采煤工作面成為煤礦井下瓦斯問題最為突出的場所之一。瓦斯涌出主要有兩個(gè)來源:一是采煤工作面煤壁及落煤的瓦斯涌出，二是采空區(qū)瓦斯涌出。采空區(qū)瓦斯涌出主要源于受采動(dòng)影響的鄰近層卸壓瓦斯和開采層本身遺煤涌出的瓦斯［1］。隨著采煤工作面的不斷回采，采空區(qū)范圍將逐漸增大。由于采空區(qū)與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是連通的，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯會涌向工作面而使風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛仍龃螅⒁鸩擅汗ぷ髅嫔嫌缃呛突仫L(fēng)巷內(nèi)瓦斯超限，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)。目前，采空區(qū)瓦斯抽采方法眾多［2］，有采空區(qū)埋管抽采，工作面尾巷抽采，開切眼引巷抽采，頂板走向鉆孔抽采，走向或傾向高抽巷抽采等。

由于高抽巷抽采具有抽采時(shí)間長，抽采影響半徑較大，抽放效果好，抽放量大等特點(diǎn)，因此，高抽巷在煤礦現(xiàn)場的應(yīng)用越來越普及。在理論研究方面，高林［3］為解決回風(fēng)巷和上隅角瓦斯超限的問題，對高抽巷與回風(fēng)巷的內(nèi)錯(cuò)距離進(jìn)行了研究。王春橋［4］研究了高抽巷在不同平距和垂距參數(shù)條件下、進(jìn)風(fēng)巷不同風(fēng)量(風(fēng)速)和高抽巷不同抽采比參數(shù)條件下高抽巷的瓦斯抽采效果。肖峻峰等［5］采用非線性大變形程序數(shù)值模擬了采空區(qū)頂板覆巖應(yīng)力分布及裂隙演化規(guī)律，確定了走向高抽巷應(yīng)布置的具體參數(shù)。武磊［6］基于理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，明確高抽巷最佳層位的合理范圍，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場考察，提出相關(guān)的優(yōu)化措施。王林［7］采用鉆孔返水計(jì)量法，確定了頂板走向高抽巷的合理層位等相關(guān)參數(shù)。王剛等［8］采用走向高抽巷瓦斯抽采技術(shù)對其機(jī)理和抽采效果進(jìn)行研究。

劉唐圣［9］運(yùn)用Fluent 數(shù)值模擬結(jié)合張家莊礦現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，李一波等［10］采用理論分析與實(shí)踐觀測等方法，均得出走向高抽巷的具體位置參數(shù)。

林海飛等［11］為獲取走向高抽巷抽采瓦斯的最佳位置，構(gòu)建了走向髙抽采條件下的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型。李迎超等［12］通過FLUENT 軟件模擬了不同空間布置參數(shù)條件下的高抽巷抽放效果，研究了高抽巷空間布置參數(shù)與高抽巷瓦斯抽放效果之間的關(guān)系。婁金福［13］以覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育的“O”形圈理論為指導(dǎo)，研究高抽巷分別布置在頂板不同高度的層位上時(shí)，其與回風(fēng)巷水平距離以及與切眼間距離之間的相互關(guān)系。

以往有關(guān)高抽巷抽采的研究多涉及高抽巷的參數(shù)確定等方面，少有將理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行較全面的分析研究。筆者以山西潞安集團(tuán)某礦S2107 綜放面為例，采用理論分析計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)施驗(yàn)證相結(jié)合，在考察裂隙帶發(fā)育區(qū)域范圍分析的基礎(chǔ)上，對高抽巷開展系統(tǒng)的研究。

1 裂隙帶發(fā)育區(qū)域考察

1.1 S2107 綜放面概況

S2107 綜放面位于該礦西翼采區(qū)，S2107 綜放面走向長度為1 082 m，傾向長度為210 m，煤層平均厚度6.31 m，容重為1.39 t/m3，回采率按93%，生產(chǎn)能力為6 000 t/d?，F(xiàn)場實(shí)測最大瓦斯質(zhì)量體積為12.16 m3/t，位于皮帶順槽20 m 處。

1.2 裂隙帶發(fā)育高度的理論計(jì)算

根據(jù)礦壓原理及采動(dòng)卸壓理論，煤層開采以后其上覆巖層在垂直方向的破壞和移動(dòng)一般分為“三帶”即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。以往的“三帶”概念主要是從破壞形式上定義的，沒有從機(jī)理上和量的角度考慮，這就給實(shí)際操作帶來了困難。

準(zhǔn)確掌握裂隙帶發(fā)育高度對高抽巷的抽采效果影響至關(guān)重要，為了保證裂隙帶瓦斯抽采效果，要確定S2107 綜放面采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育區(qū)域范圍，才能進(jìn)一步確定高抽巷最佳空間層位。

裂隙發(fā)育帶的確定可通過經(jīng)驗(yàn)公式，冒落帶理論高度Hm為

式中:h——采高，取6.31 m;

k——冒落巖石的平均碎脹系數(shù)，取1.25;

α——煤層平均傾角，取8°。裂隙帶頂部理論高度Hi為

式中，a、b、c——待定常數(shù)，可按照煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定，煤層上覆巖層以中硬巖層為主，查表a、b、c 分別為1.6、3.6、5.7。

高抽巷層位高度Hz應(yīng)滿足:

計(jì)算可得，冒落帶理論高度為25.48 m，裂隙帶頂部理論高度為40.37～51.77 m。因此，裂隙帶理論范圍為25.48～51.77 m。

1.3 裂隙帶發(fā)育高度的數(shù)值模擬

模型的主要研究內(nèi)容為煤層和頂板的變形破壞，用FLAC3D對計(jì)算模型進(jìn)行不等分劃分，對工作面和巷道區(qū)域采用精細(xì)單元?jiǎng)澐郑凑罩車∈柚胁棵芗脑瓌t，同時(shí)考慮到當(dāng)工作面回采到一定距離時(shí)，上覆巖層裂隙帶發(fā)育將趨于穩(wěn)定，建立走向長度為500 m、傾向長度為300 m、高度為100 m 的物理計(jì)算模型。模型中部分煤巖層物理力學(xué)參數(shù)借鑒鄰近常村礦資料，如表1 所示，所建模型如圖1所示。

表1 S2107 綜放面頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 S2107 deformation-failure roof and floor rocks physical and mechanical parameters

圖1 S2107 綜放面數(shù)值模型Fig．1 S2107 deformation-failure of numerical model

煤層開挖后，上覆巖層自上而下分為五個(gè)區(qū)，分別為彈性區(qū)、塑性破壞區(qū)、拉張裂隙區(qū)、拉張破壞區(qū)和局部拉張區(qū)。其中，拉張破壞區(qū)分布在采空區(qū)上方拉應(yīng)力區(qū)巖層內(nèi)，其上部發(fā)育拉裂隙區(qū);塑性變形區(qū)分布在支撐壓力區(qū)和拉張裂隙區(qū)之上的下沉盆地中巖層內(nèi)，其上巖層處于彈性區(qū)。將彈性區(qū)和塑性變形區(qū)定義為彎曲下沉帶，將拉張裂隙區(qū)定義為裂隙帶，將拉張破壞區(qū)及局部拉張區(qū)定義為冒落帶。

利用FLAC3D軟件模擬，得到在工作面不同推進(jìn)距離時(shí)采空區(qū)頂板上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律，按照上覆巖層的應(yīng)力超過抗剪強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞的巖層高度考慮為裂隙帶的上邊界，將巖層雙向拉應(yīng)力都超過抗拉強(qiáng)度，發(fā)生大變形的巖層高度考慮為裂隙帶下邊界的原則，分析得出工作面不同推進(jìn)距離l時(shí)裂隙帶的發(fā)育高度，統(tǒng)計(jì)裂隙帶高度的最大值可以得到頂板裂隙帶頂部發(fā)育高度h 的變化曲線，如圖2 所示。

對比數(shù)值模擬和理論計(jì)算得到的裂隙帶發(fā)育高度可知，數(shù)值模擬得到的裂隙帶發(fā)育高度處于理論計(jì)算裂隙帶高度為40.37～51.77 m 的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬得到裂隙帶高度變化曲線的可靠性。

圖2 不同推進(jìn)距離時(shí)頂板裂隙帶發(fā)育高度分布Fig．2 Different forward distance roof fracture zone height distribution

從圖2 中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)到140 m 時(shí)，頂板裂隙帶頂部發(fā)育至距3 號煤層頂板51.77 m，此后隨著工作面周期來壓的存在，頂板裂隙帶的發(fā)育高度基本穩(wěn)定在51.77 m 左右，可以認(rèn)為該數(shù)值為頂板裂隙帶的穩(wěn)定發(fā)育高度。該數(shù)值和經(jīng)驗(yàn)公式所得的40.37～51.77 m 范圍基本一致。因而，通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬得到高抽巷的最佳空間層位為25.48～40.37 m。考慮到高抽巷破壞的安全高度按1.5 倍的采高來取，可得高抽巷層位高度為34.06～40.37 m。

鑒于高抽巷通常在距軌道順槽水平距離一定范圍內(nèi)沿頂板平行于回風(fēng)巷布置，距回風(fēng)巷太近，容易造成巷道漏氣現(xiàn)象，距回風(fēng)巷太遠(yuǎn)，高抽巷端頭不在采空區(qū)瓦斯富集區(qū)，抽放效果均不好。走向高抽巷應(yīng)布置在冒落帶之上的“導(dǎo)氣裂隙帶”與O 形圈內(nèi)。

為此，提取工作面推進(jìn)140 m 時(shí)，距煤層頂板34.06、40.37 m 處巖層塑性區(qū)域分布云圖，如圖3所示。

圖3 距煤層頂板不同位置巖層塑性區(qū)域分布云圖Fig．3 Different from coal seam roof rock plastic area map of different position

從圖3 中可以看出，采空區(qū)中部區(qū)域已經(jīng)壓實(shí)，曾經(jīng)發(fā)生過塑性變形但已恢復(fù)為彈性區(qū)域，在采空區(qū)邊界有典型的“O”形圈存在。根據(jù)模擬結(jié)果，導(dǎo)出數(shù)據(jù)計(jì)算分析可得“O”形圈的寬度在25～45 m之間，由圖3 可見，可以將高抽巷布置在距回風(fēng)巷平行距離25～45 m 范圍之間，考慮冗余系數(shù)將高抽巷布置在距回風(fēng)巷平行距離30～40 m的位置最合理。

2 綜放面高抽巷實(shí)施效果

為了解決S2107 綜放面瓦斯超限嚴(yán)重制約煤礦安全生產(chǎn)的問題，在前期S2107 綜放面高抽巷最優(yōu)參數(shù)的理論分析計(jì)算和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，最終確定S2107 綜放面高抽巷的最優(yōu)參數(shù)，即高抽巷的最佳層位高度為34.06～40.37 m，高抽巷的最佳平距為距回風(fēng)巷平行距離30～40 m 的位置。經(jīng)過現(xiàn)場可行性分析和論證，決定在該工作面布置走向高抽巷，具體布置方式如圖4 所示。

圖4 S2107 綜放面頂板走向高抽巷布置Fig．4 S2107 deformation-failure roof toward high drainage layout diagram

S2107 綜放面布置走向高抽巷后，高抽巷抽采效果良好，抽采瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在15%左右。具體見圖5，是10月份高抽巷抽采數(shù)據(jù)。

圖5 S2107 綜放面10月份高抽巷抽采數(shù)據(jù)Fig．5 S2107 deformation-failure data extraction from the high pumping in october

在S2107 綜放面布置高抽巷后，工作面的上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@降低。分析原因是由于高抽巷對氣流的導(dǎo)向作用使采空區(qū)深部高濃度瓦斯和工作面新鮮風(fēng)流攜帶的瓦斯向高抽巷口匯集，所以改變了瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)φ降到1%以下。S2107 綜放面在實(shí)施高抽巷前后90 d 內(nèi)上隅角瓦斯監(jiān)控探頭瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 S2107 綜放面布置高抽巷前后上隅角瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig．6 S2107 deformation-failure arrangement of high alley pumping gas concentration in upper corner before and after contrast

3 結(jié) 論

(1)在理論分析計(jì)算和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，確定S2107 綜放面高抽巷的最優(yōu)參數(shù)，高抽巷的最佳層位高度為34.06～40.37 m，高抽巷的最佳平距為距回風(fēng)巷平行距離30～40 m 的位置。

(2)在前期高抽巷最優(yōu)參數(shù)的理論分析計(jì)算和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場可行性分析和論證，決定在S2107 綜放面布置高抽巷，在S2107 綜放面布置高抽巷后，工作面的上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@降低，驗(yàn)證了理論計(jì)算和數(shù)值模擬的正確性。

(3)實(shí)施高抽巷后，由于高抽巷對氣流的導(dǎo)向作用，使采空區(qū)深部高濃度瓦斯和工作面新鮮風(fēng)流攜帶的瓦斯向高抽巷口匯集，所以改變了瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)降到1%以下，符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，有效解決了高瓦斯工作面瓦斯超限和積聚的問題。

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