礦井沿空掘巷瓦斯分布規(guī)律分析

安 邦

（汾西礦業(yè)集團通風處， 山西 介休 032000）

1 工程背景

某礦屬于煤與瓦斯突出礦井，曾經(jīng)多次發(fā)生煤與瓦斯突出，礦井主采二1煤層，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角為12°，煤塵無爆炸性，頂?shù)装宸謩e是黑色、砂質(zhì)泥巖和灰黑色根土巖；煤層底板屬于灰黑色根土巖，間接底板是粉砂巖或細粒砂巖。

12051工作面西面是12032工作面，北面是12061工作面，東、南面是未采動區(qū)。煤層的平均厚度為4.2 m，煤層傾角為10°～25°，煤層層理節(jié)理發(fā)育正常，無自然發(fā)火期，煤塵無爆炸危險性。頂板巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度為7.66 m，老頂巖性為砂巖，厚度為5.87 m，直接底板的厚度為5 m，屬于泥巖，基本底的厚度為4 m，為砂質(zhì)泥巖，巷道頂?shù)装宸€(wěn)定，對巷道掘進影響不大。

12051工作面上順槽位于12051工作面上部，上順槽開口位于12302下順槽開口位置，以方位角170°沿煤層頂板掘進至切眼位置，地面標高為+150～+160 m，水平標高在-320～-280 m之間，設計走向長度為615 m，支護采用11號礦用工字鋼2.4 m×2.4 m梯形對棚支護，棚距為0.7 m，巷道凈高2.1 m，上寬2.2 m，下寬3.2 m，巷道布置如圖1所示。

圖1 12051工作面設計平面圖

2 模擬分析

2.1 模型建立

本次模擬是以某礦實際地質(zhì)條件如煤層傾角2°，工作面長度是120 m，巷道走向長度500 m以及的煤巖層位置關系為基礎建立數(shù)值模型[1-3]。數(shù)值模型劃分網(wǎng)格單元共116 000個，節(jié)點共123 369個，整個模型范圍大小為280 m×500 m×260 m，其中X軸方向—水平向右；Y軸方向—沿煤層走向；Z軸正方向—垂直向上。

2.2 模型參數(shù)設定

含瓦斯煤巖層物理力學具體參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學參數(shù)

采動煤體瓦斯流動基本參數(shù)如表2所示。

表2 瓦斯參數(shù)

2.3 模擬分析

1）煤層垂直位移（見下頁圖2）。

由圖2可知，工作面左側煤層發(fā)生最大垂直位移為4.35 cm，右側最大垂直位移為3.8 cm，且都發(fā)生在沿采空煤壁面[4]。

2）煤層水平位移（見圖3）。

由圖3可知，工作面左側煤層最大水平位移為1.29 cm，工作面右側煤層最大水平位移為1.4 cm，且都發(fā)生在沿采空區(qū)煤壁面上。

圖2 煤層垂直位移變化曲線

圖3 煤層水平位移變化曲線

3）煤層垂直應力計算結果（見圖4）。

圖4可知，在距沿空煤壁4～9 m的煤層內(nèi)發(fā)生垂直應力集中，最大垂直應力為37.6 MPa。

4）煤層水平應力。

由圖5可知，距沿空煤壁8～15 m的煤層內(nèi)發(fā)生水平應力集中，最大水平應力為18.8 MPa。

5）煤層瓦斯壓力分布（見圖6）。

圖4 煤層垂直應力變化曲線

圖5 煤層水平應力變化曲線

圖6 煤層瓦斯壓力分布曲線

工作面左右側煤層從煤體內(nèi)向外至沿采空區(qū)煤壁面，在距采空區(qū)煤壁面向煤體內(nèi)延伸大約11 m處瓦斯壓力驟然下降，由此可見，煤層瓦斯壓力在沿空卸壓帶內(nèi)呈下降趨勢[5]。

3 模擬結果分析

1）基于二1煤層開采條件的數(shù)值模擬總結出，在工作面回采以后，煤體受采動影響，煤體發(fā)生應力變化，在距沿采空煤壁面8～15 m之間，煤體產(chǎn)生塑性破壞的區(qū)域。沿采空區(qū)的煤體分別表現(xiàn)為剪切和拉伸破壞兩種破壞形式，故而形成采動卸壓帶。

2）因為沿空采動煤體卸壓帶內(nèi)部的瓦斯壓力和沿空煤壁面的瓦斯壓力不一樣，之間具有一定的壓力差，促使卸壓帶內(nèi)煤體中的瓦斯向采空區(qū)涌出，形成瓦斯流動場，煤層中瓦斯壓力逐漸降低。數(shù)值模擬分析得出，瓦斯壓力在煤體內(nèi)距沿空煤壁大約11 m處呈現(xiàn)出明顯下降趨勢。

4 結語

本文基于二1煤層開采條件的數(shù)值模擬分析研究表明，回采面回采之后，距沿空煤壁8～15 m的范圍產(chǎn)生塑性破壞，主要有剪切和拉伸破壞形式，從而形成采動卸壓帶。由于卸壓帶內(nèi)部的瓦斯壓力與沿采空區(qū)煤壁的瓦斯壓力存在一定的壓力差，使卸壓帶內(nèi)煤體中瓦斯向采空區(qū)涌出，形成瓦斯流動場，煤層中瓦斯壓力逐漸降低。數(shù)值計算結果表明，在煤體內(nèi)距采空區(qū)煤壁大約20 m處，瓦斯壓力開始明顯下降。并且隨著沿空煤壁暴露時間的延長，瓦斯流動場范圍會逐漸擴大。