某礦采動裂隙“O”型圈中瓦斯運移規(guī)律分析及抽放設計

趙文利

(大同煤炭職業(yè)技術學院)

對煤礦采動裂隙“O”形圈內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律進行分析，對于提高礦井瓦斯抽放效率，確保井下安全生產(chǎn)具有重要作用[1-3]。本研究結合Fluent數(shù)值模擬分析方法，對某礦2315工作面采動裂隙“O”型圈內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律研究，并對瓦斯抽放鉆孔參數(shù)進行合理設計。

1 工作面概況

2315采煤工作面位于南三采區(qū)，屬首采工作面，采面回風巷走向長為865 m，運輸巷走向長為742 m，采面傾向長為168 m，采面可采走向長為576 m，煤層傾角平均為11°，平均采高2.8 m。該采面所開采的煤層為10#煤層，上區(qū)段10#煤層(2313采面)和上區(qū)段下伏12#煤層(2313采面)已回采，下區(qū)段上覆6#煤層(2317采面)作為保護層已開采，2315運輸巷處于卸壓區(qū)域，2315回風巷為沿空掘巷。該工作面布置了2315頂抽巷，針對2315工作面還布置了高位鉆場(圖1)。采煤工作面形成之前，測出2315工作面的煤炭儲量為23.38萬t。該工作面開采10#煤層，煤層原始瓦斯含量為14.07 m3/t，該區(qū)域總的瓦斯含量為328.96萬m3，瓦斯壓力(絕對瓦斯壓力)為1.2～2.1 MPa。在采煤工作面推進過程中，在進行本煤層鉆孔抽放瓦斯時曾發(fā)生多次噴孔現(xiàn)象，在進行穿層鉆孔預抽瓦斯時，也多次出現(xiàn)嚴重的卡鉆、噴孔現(xiàn)象。

圖1 2315工作面高位鉆場布置示意

2 瓦斯運移規(guī)律分析

2.1 模型構建

選擇南三采區(qū)2315工作面上覆巖體作為研究對象，根據(jù)該工作面的實際漏風情況，模擬回采面距開切眼200 m的情形，坐標原點位于工作面支架與回風巷底板交點處。模型沿采空區(qū)中部對稱，幾何邊界參數(shù)為工作面傾斜長度168 m，平均采高2.8 m，采空區(qū)尺寸為200 m×168 m(長×寬)，工作面控頂距為3 m(圖2)。

圖2 模型示意

2.2 數(shù)值模擬分析

采用Fluent軟件對圖1模型進行了解算，結果見圖3。

分析圖3可知：采空區(qū)中部瓦斯?jié)舛茸畹?，向四周瓦斯?jié)舛戎饾u增大，與采空區(qū)裂隙的孔隙率分布特征相對應，采空區(qū)中部的離層趨于壓實，瓦斯?jié)舛认鄬^低，而在采空區(qū)兩側(cè)，裂隙較發(fā)育，瓦斯?jié)舛认鄬^高，從而在平面上形成了一個瓦斯?jié)舛雀叩摹癘”形圈，即瓦斯運移通道。運用Tecplot軟件對數(shù)值模擬結果進行進一步處理，得到沿工作面走向、傾向的瓦斯?jié)舛确植继卣魅鐖D4所示。

圖3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/p>

分析圖4可知：沿走向方向上，采用理論值得出的瓦斯?jié)舛确植记€與采用實際值得出的瓦斯?jié)舛确植记€基本重合，說明在切眼附近和工作面附近煤巖的滲透系數(shù)和孔隙率對“O”形圈內(nèi)瓦斯?jié)舛燃啊癘”形圈邊界的影響較小；沿傾向方向上，采用理論值得出的瓦斯?jié)舛确植记€與采用實際值得出的瓦斯?jié)舛确植记€相差較大，但瓦斯?jié)舛瓤傮w變化趨勢較接近，均為隨著與回風巷距離的增加，瓦斯?jié)舛戎饾u減小，而后趨于穩(wěn)定(壓實區(qū))，最后接近運輸巷道時又逐漸增加。

圖4 工作面瓦斯?jié)舛确植?/p>

3 煤層卸壓瓦斯抽放鉆孔布置

3.1 鉆孔參數(shù)設計

根據(jù)相關理論，鉆孔終孔高度Hz應處于裂隙帶范圍內(nèi)[4-6]，即：

Hm

(1)

式中，Hm為冒落帶高度，m；H1為裂隙帶高度，m。

Hm計算公式為[4-7]

式中，M為采面平均采高，m；k為碎脹系數(shù)；α為煤層平均傾角，(°)。

H1可用下式進行計算[8-9]：

式中，a，b，c均為待定常數(shù)，取值可根據(jù)相關煤礦設計規(guī)范確定[10]。

將式(2)和式(3)代入式(1)中，便可確定鉆孔終孔距底板的高度。

鉆孔有效長度應確保其位于裂隙帶范圍，即：

Lk=Lz-Lc，

(4)

式中，Lk為鉆孔有效長度，m；Lz為鉆孔總長度，m；Lc為重疊區(qū)長度，m。

為將抽放鉆孔順利打至“O”形圈內(nèi)，抽放鉆孔的終孔點或抽放巷與回風巷的水平距離s可按下式計算[10]：

s=[H-(B+Hcotα)tanα]sinα+

(B+Hcotθ)/cosα，

(5)

式中，H為抽放孔的終孔點或抽放巷與煤層的垂直距離，m；B為鉆孔(巷)距“O”形圈外邊界的距離，m；θ為裂隙邊界與開采邊界的連線與煤層的夾角，(°)。

2315工作面煤層屬于堅硬煤層，本研究設定a =1.2，b =2.0，c=8.9，M=2.8m，α=11°，k=1.28～1.51，據(jù)式(2)可得，Hm=10.18m，據(jù)式(3)可得H1并取其下限值時為43.34m。考慮到鉆場的穩(wěn)定性及便于維護，本研究鉆場高度確定為11m。根據(jù)10#煤層賦存特征及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，鉆孔孔深設定為80～95m，根據(jù)式(4)可得，Lk約為55m。由于H1=43.34m，故H=40.54m。根據(jù)鉆孔孔深和H值，可得θ=42°，B=0～34m，由式(5)可得出s=0～35m。為確保長時間、高濃度、高效率地抽放瓦斯，本研究Hz=10.18～43.34m，s=0～4m。

3.2 抽放效果

由2315工作面瓦斯?jié)舛扔^測可知，工作面至切眼開始推進，在鉆孔抽放之前，瓦斯涌出量為5.12m3/min，工作面回風巷段6～8m內(nèi)瓦斯超限，當工作面推進超過40m后，抽放鉆孔開始抽放發(fā)揮作用，當頂煤充分放落(或來壓期間)時，抽放瓦斯涌出量為1.8～2.9m3/min，占綜放面瓦斯涌出量的35%～56%，抽放效果十分明顯。在正常抽放瓦斯時，工作面回風巷段6～8m處，局部區(qū)域的瓦斯?jié)舛葹?.6%～0.8%，在長期觀測過程中，瓦斯抽放濃度變化較大，為0.7%～4%。由于瓦斯密度低于空氣密度，而鉆孔終孔又位于采動裂隙“O”形圈內(nèi)，大量瓦斯首先涌入該區(qū)域，即被抽采鉆孔抽出，使得大量由采煤工作面中涌出的瓦斯被排出，確保了上隅角瓦斯不超限。

4 結 語

以某礦2315采煤工作面為例，結合Fluent數(shù)值模擬分析方法，對該工作面上覆巖層采動裂隙“O”形圈內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律進行了分析，并對相應的瓦斯抽放鉆孔參數(shù)進行了合理設計，取得了理想的抽放效果，可供類似礦山借鑒。