高抽巷層位精確定位及瓦斯治理技術(shù)

李 蕾 廉常軍 鄧照玉

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

1 概述

目前，我國很多礦區(qū)已經(jīng)開展了高抽巷抽采技術(shù)及應(yīng)用方面的研究，在淮南、陽泉、平頂山等礦區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并在瓦斯治理方面取得了顯著的成果[1]。然而，傳統(tǒng)的高抽巷在層位選擇時，一般采用公式或者數(shù)值模擬的方法計算出裂隙帶的高度，然后依據(jù)經(jīng)驗或者工程類比的方式確定高抽巷的層位，往往導(dǎo)致高抽巷的層位定位不精確，嚴(yán)重的影響瓦斯抽放和工作面的治理效果。

2 礦井概況及瓦斯涌出量分析

2.1 礦井概況

表1 煤層及瓦斯基本參數(shù)

本次以云南某礦為研究對象，該礦井分布有24 層煤層，其中穩(wěn)定可采煤層8 層，各可采煤層間分布數(shù)層不可采煤層，礦井目前主要開采一、二采區(qū)的M2、M7 煤層。M2 煤層已鑒定為突出煤層，M7 煤層作為M2 煤層的保護(hù)層，在M7 煤層回采過程中，上隅角瓦斯頻繁超限，制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。

2.2 瓦斯涌出量及分析

本次以120704 回采工作面為研究對象。首先采用分源預(yù)測法分析首采煤層瓦斯涌出量，經(jīng)分析得出，本煤層以落煤和采空區(qū)的瓦斯涌出為主，瓦斯涌出量為7.32m3/min；以M2 煤層及上部不可采煤層的瓦斯涌出為主的上鄰近層瓦斯涌出量為7.87m3/min；以下鄰近層瓦斯涌出量為主的瓦斯涌出為0.96m3/min。

通過瓦斯涌出量分析可知，本次瓦斯治理的重點是本煤層的瓦斯涌出和上鄰近層的瓦斯涌出。可以采用在M7 煤層上覆巖層的裂隙帶內(nèi)布置高抽巷的方式攔截上臨近層的瓦斯涌出，并能夠起到抽采本煤層瓦斯的作用。

3 采空區(qū)上覆巖層“三帶”分析

3.1 采空區(qū)上方“三帶”劃分

如圖1 所示，采空區(qū)煤層上方通常分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶介質(zhì)較松散，其孔隙較大，成為主要的采空區(qū)流場；裂隙帶為瓦斯流動的通道，是高濃度瓦斯的聚集區(qū)，如果裂隙帶中的瓦斯沒有采取任何抽放措施，那么大量瓦斯會進(jìn)入冒落帶，進(jìn)而涌向回采工作面。影響礦井的安全生產(chǎn)。為此，采用在M7 煤層上覆巖層的裂隙帶內(nèi)布置高抽巷的方式解決瓦斯頻繁超限問題。

圖1 采空區(qū)“三帶”圖

3.2 基于FLAC3D 數(shù)值模擬的上覆巖層運移規(guī)律

采用有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D 進(jìn)行模擬研究采空區(qū)上覆巖層“三帶”的分布情況，根據(jù)煤層柱狀圖建立模型，本次數(shù)值模型的尺寸為X×Y×Z=198m×180m×90m，工作面長110m，沿Y 方向推進(jìn)，180m，兩側(cè)巷寬4m，各留40m 的實體煤柱，模型在Z 方向留設(shè)長度為90m，其中，底板留設(shè)10m 巖層，煤層厚度為1.6m，上覆巖層總厚度為78.4m。模型如圖2 所示。

圖2 FLAC 3D 數(shù)值模型

通過數(shù)值模擬分析，通過截取采空區(qū)后方距離工作面不同距離的彈塑性破壞情況切片圖，得到如圖3 所示的一組彈塑性破壞區(qū)分布圖。通過分析可以得出表2 所示的采空區(qū)后方上覆巖層的運移變化情況。那么，采空區(qū)后方上覆巖層裂隙帶的高度為21.9m～55.2m。

圖3 采空區(qū)后方彈塑性破壞區(qū)

表2 采空區(qū)后方上覆巖層的運移變化表

4 基于RNG k-ε 模型的數(shù)值模擬分析

4.1 RNG k-ε 模型的建立

k-ε 模型是ANSYS FLUENT 數(shù)值模擬軟件中自帶的湍流模型。主要包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型和RNG k-ε 模型。相比于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型，RNG k-ε 模型具有精度高、考慮了低雷諾數(shù)情況下的粘性流動、考慮了湍流漩渦等情況。更適合采空區(qū)的流場[5-6]。

圖4 采空區(qū)數(shù)值模型

通過上一節(jié)可知，裂隙帶的高度范圍為21.9m～55.2m。M2煤層位于M7 煤層上方48m 處，M2 煤層位于裂隙帶中，M2 煤層的瓦斯會在回采過程中大量涌入回采工作面。根據(jù)裂隙帶的高度和上組煤層的位置，本次數(shù)值模擬高抽巷選取3 個不同的垂直位置，分別為煤層上方26m、34m 和42m 的位置。

建立ANSYS FLUENT 數(shù)值模型，模型沿走向長230m，沿傾向長118m，兩側(cè)進(jìn)回風(fēng)巷長寬高為20×4×3m，高抽巷的長寬高為20×3×2.5m，瓦斯涌出來源主要為：采煤工作面，采空區(qū)和上鄰近層。模擬過程中主要記錄回風(fēng)巷和高抽巷的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)流流速。

4.2 RNG k-ε 模型數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)高抽巷不同垂距下的數(shù)值模擬結(jié)果，通過數(shù)值模擬中對高抽巷瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)流流速的監(jiān)測結(jié)果，計算出不同垂距下高抽巷的抽采純量和抽采混量，如表2 所示，當(dāng)垂距為42m 時，瓦斯抽采混量小，濃度高，抽采純量較??；當(dāng)垂距為26m 時，瓦斯抽采混量高，濃度低，抽采純量小；當(dāng)垂距為34m 時，瓦斯抽采純量最大。

圖5 不同層位高抽巷抽采效果模擬結(jié)果

表3 不同垂距高抽巷抽采效果表

通過對不同垂距高抽巷抽采后上隅角瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測，如表3 所示，隨著高抽巷垂距的逐漸增大，上隅角瓦斯也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，當(dāng)高抽巷位于煤層上方34m 時，工作面上隅角瓦斯?jié)舛饶軌虻玫接行У目刂?，最大瓦斯?jié)舛葹?.75%。綜上所述，該礦高抽巷最佳位置為煤層上方34m 處。

5 現(xiàn)場工業(yè)試驗

根據(jù)上文確定的高抽巷層位，在該礦井120704 回采工作面上方34m 處布置高抽巷。為了有效的解決M2 煤層的瓦斯問題，該高抽巷兼作M2 煤層的底抽巷，向M2 煤層施工上向網(wǎng)格式穿層鉆孔，鉆孔見煤處間排距為7m。穿過煤層后向頂板穿巖長度1m，如圖6 所示。

圖6 120704 回采工作面高抽巷布置圖

采用該高抽巷布置以后，120704 回采工作面在回采過程中，上隅角瓦斯得到了有效的控制，上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.71%，120704 回風(fēng)巷在落煤期間最大瓦斯?jié)舛刃∮?.65%，沒有出現(xiàn)過瓦斯超限現(xiàn)象。通過合理的布置高抽巷的層位，為該工作面安全高效回采提供了保障。并且M2 煤層在M7 煤層開采后消除了M2 煤層的突出危險性。

6 結(jié)論

6.1 通過FLAC3D 數(shù)值模擬確定了裂隙帶的高度。通過RNG k-ε 模型對高抽巷瓦斯抽采情況和上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪M研究，進(jìn)而精確定位了高抽巷的合理層位。

6.2 通過高抽巷的精確定位，有效治理了上隅角瓦斯超限問題。

6.3 對周邊礦井及類似礦井的瓦斯治理具有一定的借鑒意義。