高抽巷的合理空間層位及抽采效果分析

張跟柱，徐金海，張兵兵，蘇 賽

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221116)

高抽巷的合理空間層位及抽采效果分析

張跟柱1，徐金海2，張兵兵1，蘇 賽1

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221116)

為解決綜放面、采空區(qū)及上隅角瓦斯頻繁超限問題，以五陽煤礦7603綜放面為工程背景，提出了高抽巷抽采瓦斯方案，通過理論計算得到高抽巷與煤層頂板垂直距離為35m，與回風巷水平距離為40m；利用數(shù)值模擬對5種方案下瓦斯抽采效果進行分析，得到當高抽巷位于層位2時，即S=40m，H=35m時瓦斯抽采效果最好，上隅角和回風巷瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.7%；工業(yè)性試驗結(jié)果表明：正常生產(chǎn)期間回風巷瓦斯?jié)舛仍?.5%～0.6%范圍內(nèi)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.6%～0.8%范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛饶軌蚩刂圃?.8%以內(nèi)，保證了7603綜放面正常安全高效生產(chǎn)，為類似條件工作面回采提供指導。

高抽巷；空間層位；抽采效果；數(shù)值模擬

隨著煤礦開采向深部不斷延伸，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力也越來越大，瓦斯超限制約安全生產(chǎn)的“瓶頸”問題也愈加突出，僅靠風排瓦斯已經(jīng)不能保證安全高效生產(chǎn)[1-2]。放頂煤開采強度相對較大，上隅角及回風巷瓦斯?jié)舛阮l繁超限，瓦斯?jié)舛瘸迣θ藛T和設(shè)備安全構(gòu)成極大威脅[3-5]。陽泉煤礦于1992年首次使用高抽巷，瓦斯抽采率達 80%～90%[6]；緊接著陽泉三礦也應(yīng)用走向高抽巷，基本解決了K8206綜放面瓦斯超限問題[7]。淮南礦務(wù)局張集煤礦1121工作面、西山煤電集團西銘煤礦48205工作面及彬長礦業(yè)集團大佛寺礦等在采用高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯和防治工作面上隅角瓦斯超限方面進行了大量的實踐和探索[8-10]。王成、丁厚成等[11-12]通過數(shù)值模擬方法對正常抽采期間高抽巷抽放的混合流量及瓦斯分布進行了分析，得出了高抽巷合理抽采負壓；李曉泉等[13]通過分析高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，得到了高抽巷抽采瓦斯與風排瓦斯量的相互關(guān)系，且通過理論計算方法證明了其合理性；婁金福等[14]通過覆巖采動裂隙 “O”形圈理論研究了高抽巷布置在不同層位時，高抽巷與回風巷及切眼距離之間的相互關(guān)系；馮雪等[15]通過研究高抽巷不同層位對采空區(qū)自燃危險性的影響，得出高抽巷與煤層頂板的垂直距離與采空區(qū)自燃危險性成正相關(guān)。以上研究成果很少涉及到通過研究高抽巷不同層位對采空區(qū)及上隅角瓦斯抽采效果來確定高抽巷層位。本文為高抽巷合理空間層位確定提供另一種方法，雖然7603綜放面煤層埋深及開采強度較大，且煤層瓦斯含量較高，但因應(yīng)用了高抽巷抽采系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗結(jié)果得知該方法保證了煤礦安全高效生產(chǎn)，為高抽巷合理層位布置提供可靠的依據(jù)。

1 試驗工作面概況

五陽煤礦生產(chǎn)能力為3.00Mt/a， 3號煤層平均厚度為6.10m，煤層的視密度為1.4t/m3，孔隙率為2.8%～3.4%；掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為10.8m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為98.1m3/min，礦井最大相對瓦斯涌出量為 48.9m3/t，礦井最大絕對瓦斯涌出量為308.5m3/min，屬于高瓦斯礦井；3號煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.24～0.27d-1，透氣性系數(shù)為1.1～13.2m2/(MPa2·d)；高抽巷布置如圖1所示。

圖1 7603綜放面示意

2 高抽巷抽采效果數(shù)值模擬分析

2.1 高抽巷空間層位理論計算

高抽巷瓦斯抽采效果與其空間層位有著很大關(guān)系，因此，需要確定高抽巷距離煤層頂板的垂直距離H以及高抽巷距離回風巷的水平距離S。高抽巷布置剖視圖如圖2所示。

圖2 高抽巷布置剖視

根據(jù)幾何關(guān)系來計算水平距離和垂直距離，計算方法如下。

2.1.1 高抽巷與煤層頂板垂直距離的確定

當高抽巷布置在垮落帶時，雖然能有效防止采空區(qū)瓦斯涌出，從而達到降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪康模瑫r也增大了工作面漏風量，這不僅影響工作面正常通風而且影響高抽巷瓦斯抽采濃度；當高抽巷布置在裂縫帶上部時，瓦斯抽采濃度較高，但由于裂隙不夠發(fā)育導致高抽巷不能對垮落帶中瓦斯起到引流作用，不能有效解決上隅角瓦斯超限的問題。綜上，高抽巷應(yīng)該布置在裂縫帶下部，這樣能保證高抽巷在抽采瓦斯?jié)舛容^高的同時，也能夠解決上隅角瓦斯超限問題。高抽巷與煤層頂板垂直距離H為：

H=h1cosβ+Δh

(1)

式中，H為高抽巷與煤層頂板的垂直距離，m；h1為垮落帶高度，m；β為煤層傾角，(°)；Δh為防止高抽巷破壞富余高度，m。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知：β=9°，Δh一般為2～3倍采高，取Δh=15m，h1取20m，代入上面公式得H約為35m。

2.1.2 高抽巷與回風巷水平距離的確定

根據(jù)覆巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律及工作面采空區(qū)漏風的特點，考慮到采空區(qū)靠近回風巷側(cè)的瓦斯?jié)舛认鄬^高，因此高抽巷布置在靠近回風巷側(cè)時采空區(qū)及上隅角瓦斯抽采效果較好。高抽巷與回風巷水平距離S為：

S=H·cos(α-β)/sinα+Δs

(2)

式中，α為回風巷附近巖層斷裂角，(°)；Δs為高抽巷位于裂縫帶水平投影長度，m。

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知：α=63°，β=9°，Δs一般為10～25m，取Δs=13m，H=35m，帶入式(2)可得S約為40m。

2.2 高抽巷布置方案的確定

為確定高抽巷的合理空間層位，以理論計算所得結(jié)果為基礎(chǔ)，給出5種方案，在相同抽采負壓條件下，用FLUENT軟件對高抽巷位于不同層位時的抽采效果進行模擬。為了研究在同一垂直距離條件下，在距離回風巷不同水平距離時高抽巷的抽采效果，選擇層位1，2，3為相同垂直距離H=35m，高抽巷與回風巷不同水平距離S=35，40，45m 3種方案進行對比分析。為了研究在距離回風巷相同水平距離條件下，高抽巷在不同垂直距離時抽采效果，選擇層位2，4，5為高抽巷與回風巷相同水平距離S=40m，高抽巷距離煤層頂板不同垂直距離H=35，30，40m 3種方案進行對比分析。5種方案高抽巷布置參數(shù)如下：

層位1：高抽巷與煤層頂板垂直距離35m，高抽巷與回風巷水平距離35m；層位2：高抽巷與煤層頂板垂直距離35m，高抽巷與回風巷水平距離40m；層位3：高抽巷與煤層頂板垂直距離35m，高抽巷與回風巷水平距離45m；層位4：高抽巷與煤層頂板垂直距離30m，高抽巷與回風巷水平距離40m；層位5：高抽巷與煤層頂板垂直距離40m，高抽巷與回風巷水平距離40m。

2.3 不同水平層位對抽采效果影響

通過FLUENT軟件數(shù)值模擬計算分析，得到高抽巷分別在層位 1、層位2、層位3條件下瓦斯抽采效果，如圖3、圖4、圖5所示(圖中Z為距離煤層底板高度)，分析高抽巷瓦斯抽采效果，總結(jié)得到高抽巷與回風巷不同水平距離的瓦斯抽采效果，見表1。

圖3 層位1的高抽巷采場瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖4 層位2的高抽巷采場瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖5 層位3的高抽巷采場瓦斯?jié)舛确植?/p>

高抽巷層位抽采濃度上隅角濃度回風巷濃度136～390.5～0.80.6～0.9249～530.5～0.70.5～0.7339～411.0～1.20.9～1.1

對比分析表1數(shù)據(jù)可知，高抽巷位于層位2時的抽采濃度最高，達到49%～53%，上隅角的瓦斯?jié)舛认鄬^低，其瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.7%，回風巷瓦斯?jié)舛容^低，其瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.7%，高抽巷抽采采空區(qū)及上隅角瓦斯效果較好，使得上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷胶侠矸秶鷥?nèi)，保證了綜放面安全高效生產(chǎn)。

2.4 不同垂直層位對抽采效果影響

通過FLUENT軟件數(shù)值模擬計算分析，得到層位4、層位5條件下高抽巷瓦斯抽采效果圖，如圖6、圖7所示(圖中Z為距離煤層底板高度)，結(jié)合圖4分析高抽巷瓦斯抽采效果，總結(jié)得到高抽巷與回風巷不同水平距離的瓦斯抽采效果，見表2。

圖7 層位5的高抽巷采場瓦斯?jié)舛确植?/p>

高抽巷層位抽采混合量/(m3·min-1)抽采濃度/%抽采純量/(m3·min-1)上隅角濃度/%回風巷濃度/%215049～5373.5～79.50.5～0.70.5～0.7418029～3252.2～57.61.2～1.40.8～1.0510035～3835～380.9～1.10.7～0.9

對比分析表2數(shù)據(jù)可知，層位4(H=30m)時的高抽巷抽采量相對較大，但由于高抽巷與垮落帶下部邊界距離較小，導致漏風現(xiàn)象比較嚴重，高抽巷抽采濃度僅為29%～32%，抽采純量為52.2～57.6m3/min，抽采純度較低，瓦斯抽采效果較差；層位 5(H=40m)時的高抽巷瓦斯抽采濃度相對較高，但在相同負壓條件下，由于抽采混合量比較小，導致抽采純量相對較小，在層位2(H=35m)，高抽巷瓦斯抽采純量高達73.5～79.5m3/min，上隅角的瓦斯?jié)舛容^低，回風巷瓦斯?jié)舛纫草^低；因此，高抽巷布置在層位 2(H=35m)時的瓦斯抽采效果相對最好。

結(jié)合前面對高抽巷與回風巷不同水平距離瓦斯抽采效果的FLUENT數(shù)值模擬分析，確定高抽巷布置在層位2，即S=40m，H=35m。

3 工業(yè)性試驗效果分析

對高抽巷布置在層位2(S=40m，H=35m)進行了現(xiàn)場試驗，記錄了高抽巷正常投入使用期間瓦斯抽采量及瓦斯涌出量，計算出高抽巷抽采瓦斯量占總涌出量的比例并繪制出如圖8所示曲線圖。由圖8 可知，由于開切眼處應(yīng)用了定向水力壓裂技術(shù)，使得綜放面基本頂初次垮落步距控制在15m以內(nèi)，高抽巷端頭掘進到距離開切眼15m停止。當工作面推進15m后，高抽巷開始發(fā)揮作用。隨著工作面的進一步推進，高抽巷的瓦斯抽采濃度和抽采量不斷增加，從高抽巷投入使用到3月18日為前期階段，之后則為抽采穩(wěn)定階段，高抽巷瓦斯抽采純量在17～27m3/min之間，平均22m3/min，瓦斯抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右。

圖8 高抽巷抽采瓦斯量及所占總涌出量的比例

7603綜放面回采期間絕對瓦斯涌出量、回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖9所示。由圖9可知，高抽巷可以有效抽采工作面、采空區(qū)及圍巖卸壓涌出瓦斯，在正常生產(chǎn)期間回風巷瓦斯?jié)舛仍?.5%～0.6%范圍內(nèi)、上隅角瓦斯?jié)舛仍?.6%～0.8%范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛饶軌蚩刂圃?.8%以內(nèi)，保證了7603綜放面正常安全高效生產(chǎn)。

圖9 7603綜放面絕對瓦斯涌出量、回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆r

4 結(jié) 論

(1)通過理論計算得到高抽巷與煤層頂板垂直距離為35m，高抽巷與回風巷水平距離為40m。

(2)利用數(shù)值模擬對5種方案下瓦斯抽采效果進行分析，得到當高抽巷位于層位2時，即S=40m，H=35m時瓦斯抽采濃度最高，達到49%～53%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.7%，回風巷瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.7%，高抽巷瓦斯抽采純量高達73.5～79.5m3/min，使得采空區(qū)及上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷胶侠矸秶鷥?nèi)。

(3)對層位2進行了工業(yè)性試驗，結(jié)果表明：在正常生產(chǎn)期間高抽巷瓦斯抽采率高達40%以上，回風巷瓦斯?jié)舛仍?.5%～0.6%范圍內(nèi)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.6%～0.8%范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛饶軌蚩刂圃?.8%以內(nèi)，保證了7603綜放面正常安全高效生產(chǎn)。

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[責任編輯：李青]

中國核電聯(lián)同神華等四企斥資10億元設(shè)立中核河北核電

中國核電公告稱，計劃與神華集團等四企共斥資10億元，設(shè)立中核河北核電，支持第四代核電技術(shù)行波堆的發(fā)展。

中國核電擬與神華集團、華電福新、浙能電力及建投能源共同設(shè)立新公司中核河北核電。其中，中國核電斥資最多，占比35%，即3.5億元；神華占30%、華電福新占15%、浙能電力及建投能源則分別占10%。中國核電表示，新公司的設(shè)立符合國家京津冀協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略，有助于支持先進的行波堆技術(shù)落地及發(fā)展。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.9.21

AnalysisofDrainageEffectandReasonableHorizonofHighLevelSuctionRoadway

ZHANG Gen-zhu1，XU Jin-hai2，ZHANG Bing-bing1，SU Sai1

(1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

In order to solve the problem of gas transfinite frequently in fully mechanized coal mining face，goaf and upper corner，it taking 7603 fully mechanized coal mining face of Wuyang coal mine as engineering background，and gas drainage scheme of high level suction roadway was put forward，the vertical distance between high level suction roadway and coal seam roof was 35m was put forward after calculation，the horizontal distance to ventilation roadway was 40m，gas drainage effect of different five schemes were analyzed by numerical simulation，the gas drainage reached the best when high level suction roadway located in layer 2(S=40m，H=35m)，gas density in upper corner and ventilation roadway was 0.5%～0.7%；the industrial test showed that gas density were 0.5%～0.6% and 0.6%～0.8% in upper corner and ventilation roadway respectively during mining process，and it could be controlled less than 0.8%，safety and high efficient production of fully mechanized coal mining face was ensured，it references for similar situation.

high level suction roadway；spacial position；drainage effect；numerical simulation

TD712 6

A

1006-6225(2017)05-0092-04

2017-01-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.024

煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題(SKLCRSM11X02)

張跟柱(1993-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事礦井瓦斯治理及巷道圍巖控制方面的研究。

張跟柱，徐金海，張兵兵，等.高抽巷的合理空間層位及抽采效果分析[J].煤礦開采，2017，22(5)：92-95.