王海鳳 王曉東 趙喜峰 閆志銘 孫浩石
摘 要:高瓦斯煤層群開采過程中往往伴隨著各類煤與瓦斯突出問題,其中瓦斯賦存規(guī)律及涌出特征的難以把握更是制約著煤礦的安全高效開采。為有效解決高瓦斯煤層群環(huán)境下的煤層透氣性低及瓦斯含量大等問題,文中以華陽集團平舒煤礦為試驗背景,采用高低位瓦斯協(xié)同抽采技術,在工作面上方布置高低位巷道來對煤層進行卸壓以及瓦斯預抽,并通過數(shù)值模擬方法重點分析了低位巷與下伏煤層的垂直間距大小對煤層應力釋放和變形特征的影響。結果表明:低位巷的掘進會對15煤層造成非均勻性擾動,通過模擬得到低位巷與煤層的垂直距離為5 m時,最大應力釋放量約為13.90%,最大變形量為3.20%;提出了低位巷的合理布置參數(shù),即在距15煤層上方5 m的砂質泥巖中布置巷道寬度為5 m,巷道高度為2.6 m的低位巷;通過對生產(chǎn)、檢修期間工作面上隅角和回風巷的瓦斯?jié)舛冗M行長期監(jiān)測,有效驗證了該技術在治理本煤層及鄰近層瓦斯的可行性。關鍵詞:高瓦斯礦井;瓦斯抽采;瓦斯災害防治;低位巷;膨脹變形量中圖分類號:X 936
文獻標志碼:A
文章編號:1672-9315(2022)05-0909-09
DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0509開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
Influence of low drainage roadway driving on lower coal seam gas extraction and its engineering application
WANG Haifeng,WANG Xiaodong,ZHAO Xifeng,YAN Zhiming,SUN Haoshi
(1.Shanxi Huayang Group New Energy Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China;2.Shanxi Pingshu Minging Industry Corporation Ltd.,Yangquan 045000,China;3.School of Risk Management and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)
Abstract:The mining process of high gas seam group is often accompanied by various kinds of coal and gas outburst problems,among which the difficulty of grasping the occurrence law and emission characteristics of gas restricts the safe and efficient mining of coal mines.In order to effectively solve the problems of low permeability and high gas content in the environment of high-gas coal seam group,this paper takes Pingshu Coal mine of Huayang Group as? an experimental ?subject,adopts the high-low gas co-extraction technology,and arranges the high and low-level roadway above the working face to relieve the pressure of coal seam and pre-extract gas.The influence of the vertical distance between low level roadway and underlying coal seam on the stress release and the deformation characteristics of coal seam are analyzed by numerical simulation.The results show that the driving of low-level roadway will cause non-uniform disturbance to 15 coal seam.When the vertical distance between low-level roadway and coal seam is 5 m,the maximum stress release is about 13.90% and the maximum deformation is 3.20%.The reasonable layout parameters of low-level roadway are proposed,that is,the low-level roadway with a width of 5 m and a height of 2.6 m is arranged in sandy mudstone 5 m above 15 coal seam.Through long-term monitoring of gas concentration in the corner of working face and return air lane during production and maintenance,the feasibility of this technology in treating gas in the coal seam and adjacent layers is verified effectively.
Key words:high-gassy mine;gas drainage;gas disaster prevention;low-level roadway;expasion deformation
0 引 言
現(xiàn)階段中國煤炭資源開采漸漸向深部轉移,工程中面臨的“三高一低”的復雜地質環(huán)境愈加嚴重,煤炭資源回采時的瓦斯排放量居高不下,導致瓦斯災害情況難以根治。在面對該礦區(qū)瓦斯含量高、滲透性低和地質條件復雜等情況時,單一的保護層開采、采空區(qū)埋管抽采及大面積走向(傾向)穿層鉆孔等方法已不能有效解決深部礦井開采所帶來的瓦斯來源多且復雜等難題。由于采空區(qū)瓦斯溢出嚴重及剝落煤壁瓦斯釋放量大、鄰近瓦斯涌出量占比較高等導致工作面及上隅角瓦斯?jié)舛染痈卟幌?,已?jīng)嚴重限制了礦區(qū)工作面的安全高效開采。為合理抽采煤層賦存瓦斯的同時避免瓦斯事故的發(fā)生,深部采煤工程必須進行瓦斯抽采。目前,在工作面頂板布置低位巷是處理高瓦斯突出危險性和低透氣性煤層等復雜抽放環(huán)境的一種有效方法。其中低位巷的掘進會對巷道附近煤巖體的應力場與滲透率分布場進行重塑,其層位布置參數(shù)選取優(yōu)劣程度則影響著瓦斯抽采工作的實施效果。近年來,陽泉礦區(qū)提出了高低位瓦斯協(xié)同抽采技術:即采前掘進低位巷并在其內部設計下向穿層鉆孔預先抽采煤層條帶瓦斯,再利用高位巷抽采鄰近煤層瓦斯,實現(xiàn)了降低工作面瓦斯?jié)舛鹊哪康?。其中低位巷的層位布置是該技術達到良好抽采效果的關鍵步驟。近年來,學者們圍繞低抽巷的層位布置做了大量研究。劉志偉等基于底板滑移線場理論與FLAC數(shù)值模擬得出了低抽巷的合理布置范圍。蔣先統(tǒng)借助覆巖礦壓規(guī)律、關鍵層理論和AE效應,建立了采動裂隙區(qū)分布情況及覆巖塊體破斷結構模型,最終獲得了導水裂隙帶最佳高度以及頂板高抽巷的設計位置。劉繼勇和張麗娜等基于覆巖破壞“O”型圈理論,根據(jù)FLUENT模擬結果來指導頂板布置低位巷的精確布置方案。XU和程志恒等還利用COMSOL模擬了抽采時間及布孔間距對瓦斯抽采效果的影響。徐超及張國建等通過高低位瓦斯抽采組合巷道形成的立體抽采技術對本煤層及鄰近煤層瓦斯進行抽采,顯著降低了工作面瓦斯?jié)舛?。另外還有很多學者在上隅角瓦斯治理方面也做了大量研究,取得了顯著成果。但是在高瓦斯煤層群環(huán)境下的低位巷對下伏煤體采動效應及煤層預抽影響研究較少,且如何獲得低位巷的最優(yōu)布置區(qū)域及其各項參數(shù),也是擺在研究人員面前的一道難題。以華陽集團平舒煤礦為研究背景,通過FLAC模擬研究不同低位巷布置方案下15煤層的應力分布及變形特征,選擇最佳的低位巷及下伏回風巷道布置參數(shù)。該模擬結果在平舒煤礦15煤層15211工作面設計應用并考察了該技術的瓦斯治理效果,為高瓦斯煤層群低抽巷采動卸壓瓦斯治理提供理論依據(jù),以期達到瓦斯綜合治理技術升級和突破瓦斯制約生產(chǎn)“瓶頸”的目標。
1 數(shù)值模擬參數(shù)設定
1.1 工程背景平舒煤礦位于沁水煤田北部,該礦采用主立副斜綜合開拓方式,已探明可采煤炭資源儲量為34 008.3萬t,礦井瓦斯等級為煤與瓦斯突出礦井。該礦區(qū)煤層賦存較多,主采為3,6,8,9,12,15煤層。15煤層位于K下石灰?guī)r之下,煤層賦存穩(wěn)定,平均厚度為2.5 m,瓦斯壓力為2.48 MPa左右,原始瓦斯含量約9.83~20.74 m/t,15煤層吸附能力強,吸附常數(shù)a=36.046 2 m/t,b=1.427 5 MPa,煤層透氣性較差,且該煤層具有瓦斯突出危險性。 15211工作面位于15煤層西采區(qū),工作面走向長為1 112 m,傾斜長為200 m,總體形態(tài)為北高南低的單斜構造,采用傾斜長壁綜合機械化采煤工藝,并利用全部垮落法管理采空區(qū)頂板。經(jīng)計算,該工作面預計回采期間瓦斯絕對涌出量為8.09 m/min,15煤層上鄰層有可采煤層12,不可采煤層11,13,14煤層,下鄰近層為15下層,除此之外還有多層富含瓦斯的石灰?guī)r,統(tǒng)計可得鄰近層絕對瓦斯涌出量為36.1 m/min,可見鄰近層絕對瓦斯涌出量要遠高于本煤層回采絕對瓦斯涌出量,占總瓦斯涌出量81.69%。為有效治理工作面回采過程中的原始瓦斯和卸壓瓦斯,該礦近年采用高低位瓦斯協(xié)同抽采技術(圖1),即通過布置“U型”通風系統(tǒng)配合頂板高低位巷道聯(lián)合抽采系統(tǒng),以此預防工作面及上隅角瓦斯超限。
該模型是根據(jù)15211工作面所處地層柱建立的。平舒煤礦煤層的平均傾角約為6°,在模型中被視為水平層。模型尺寸為300 m×80 m×80 m(x×y×z),其中x為走向,y為傾角方向,z為垂直方向(圖2)。模型中限制了四周的水平位移和底部的垂直位移,并在頂部施加一個均勻的垂直載荷(11.8 MPa),以模擬真實條件下472 m的覆巖重量。節(jié)理面的破壞規(guī)律采用庫侖滑移準則,塊體破壞模式采用莫爾庫侖模型。巖石力學參數(shù)見表1。低層巷道布置在模型水平中心的砂質泥巖中,從離邊界50 m處沿x方向水平掘進,模擬時總長度為200 m。
根據(jù)以往所在井田開拓的實際經(jīng)驗,巷道尺寸一般設定為4.0 m×2.5 m(寬×高),低位巷與煤層垂直距離平均為4.7 m,其中因巷道層位方面缺乏理論依據(jù),因此文中模擬中主要分析垂直距離為3,5,7 m時的巷道掘進采動效應,最終確定最佳垂距值。
2 模擬過程及結果分析
2.1 不同垂距下的圍巖垂向應力影響分析分別輸出低抽巷距15煤層垂距為3,5,7 m,工作面掘進50,100,150,200 m時15煤層的走向及傾向垂直應力云圖,走向俯視垂直應力云圖及傾向切面垂直應力云圖(黑色區(qū)域為15煤層)如圖3、圖4所示。由圖3可知,受低抽巷采動影響,下伏15#煤層產(chǎn)生了不同程度的卸壓效果,垂直應力最小值均出現(xiàn)在低抽巷正下方,且走向卸壓范圍隨著低抽巷掘進不斷增大,傾向卸壓范圍無明顯變化,整體卸壓區(qū)域呈“條帶狀”分布。當垂距為3 m及低抽巷掘進至100 m時,15煤層工作面四周煤巖體產(chǎn)生了明顯的應力集中,而當垂距為5,7 m時,明顯的應力集中則出現(xiàn)在低抽巷掘進至150 m時。應力集中區(qū)位于低抽巷掘進工作面巷道幫的正下方且向兩側擴散展開,其范圍隨著垂距的增大(即低位巷遠離)而逐漸減小。
由圖4可知,由于低抽巷的掘進,巷道周邊圍巖應力重新分布,巷道中部產(chǎn)生卸壓效果并進一步影響至15#煤層,煤層卸壓程度隨垂距增大而逐漸減弱,而卸壓區(qū)范圍卻有所增大。巷道兩幫(藍色區(qū)域)產(chǎn)生明顯應力集中,應力集中效應隨著采掘活動逐漸向下部煤巖體傳遞最終影響到15煤層。對比不同垂距下掘進200 m時的煤層應力狀態(tài)可知,煤層與低抽巷間垂距越小,越先受到低抽巷采掘活動影響且影響程度越劇烈。
結合圖5可知,低抽巷掘進引起的煤巖體應力重新分布呈現(xiàn)非均勻性,傾向方向巷道兩側區(qū)域產(chǎn)生明顯應力集中,而走向方向則不明顯,最大應力值保持在原地應力的13.0 MPa左右。因掘進巷道尺寸遠小于煤層范圍,故煤層圍巖受擾動程度并沒有過分劇烈,原始煤巖結構可以承受低位巷掘進所帶來的應力擾動。
根據(jù)應力的分布規(guī)律,將15煤層傾向方向分為原巖應力區(qū)、應力集中區(qū)、采動卸壓區(qū);走向方向分為原巖應力區(qū)和采動卸壓區(qū)。低抽巷距煤層分別為3,5,7 m時,15煤層垂直應力最小值分別為11.50,11.95,12.20 MPa,與原地應力13 MPa相比,降幅分別為11.54%,8.08%,6.15%。采動卸壓區(qū)范圍依次增大,分別為低抽巷兩側-8~8 m,-10~10 m及-12~12 m,應力集中區(qū)范圍依次減小,分別為巷道兩側8~25 m,10~25 m以及12~25 m。
2.2 不同垂距下的圍巖膨脹變形影響分析通過對15煤層上下兩面位移量的提取,得到15煤層的絕對變形量,除以15煤厚度,得到15煤的膨脹變形量,并利用Matlab繪制低抽巷開挖200 m后15煤層變形分布特征,如圖6所示。由于低抽巷的掘進,15煤層相對原始狀態(tài)發(fā)生了膨脹變形,整體上呈“倒V”型斗狀對稱分布。最大膨脹變形量出現(xiàn)在低抽巷正下方,且隨垂距增大而逐漸減小,也代表膨脹變形效果隨巷道高度的增加而逐漸衰減。
不同垂距下15煤層走向及傾向中部膨脹變形量曲線如圖7所示。由圖7(a)可知,煤層走向膨脹變形范圍隨低抽巷掘進不斷增大。低抽巷掘進至50 m時,3種方案下15煤層的最大膨脹變形量依次減小,分別為0.322%,0.274%,0.241%,表明卸壓程度隨垂距增大而減小。當掘進至200 m時,煤層膨脹變形程度有所降低,產(chǎn)生了一定的變形恢復但仍處于應力釋放狀態(tài)。低抽巷掘進200 m后,繪制垂距分別為3,5,7 m時15煤層膨脹變形量曲線,如圖7(b)所示。當?shù)统橄锱c待掘煤巷垂距分別為3,5,7 m時,煤層最大膨脹變形量分別為0.314%,0.263%及0.235%,膨脹變形效果隨垂距增大逐漸減弱。傾向膨脹變形區(qū)范圍依次增大,分別為低抽巷兩側-6~6 m,-8~8 m及-10~10 m。
3個垂距模擬方案的綜合效果比較見表2。首先從15煤層卸壓增透的角度考慮,垂距為3 m時,由于垂距相對靠近煤層,巷道掘進帶來的卸壓及變形采動效應使得兩者之間的巖體裂隙充分發(fā)育,再配合低位巷下向穿層鉆孔可使瓦斯運移通道進一步擴展,有效掩護回風巷條帶實現(xiàn)消突,但是因后期回風巷施工的再次影響,巷道圍巖經(jīng)受多次擾動,局部區(qū)域圍巖破壞程度增大會使巷道穩(wěn)定性降低,誘發(fā)巷道結構失穩(wěn)破壞等不良后果,周期維護困難。垂距為7 m時,15煤層卸壓效果最弱,且在此層位施工下向穿層鉆孔也將增大鉆孔平均長度,徒增工程量以及時間人工經(jīng)濟成本。因此,為達到良好的瓦斯抽采效果并考慮到經(jīng)濟成本因素,
垂距為5 m為本次模擬結果的最佳距離。
2.3 合理參數(shù)選取分析輔助巷道抽排瓦斯是消除減緩深部高瓦斯煤層中瓦斯突發(fā)的主要方法之一。低位巷作為輔助巷道的一種可以在通過向下的交叉層鉆孔排出煤巷的帶狀瓦斯,還可以輔助排出上隅角和附近煤層瓦斯。其在掘進過程對煤和巖石的應力分布、破壞和穿透性能有著很大影響。因此,不同的低位巷布置對下伏煤層有不同程度卸壓和提高滲透性的作用,直接影響到瓦斯排放效率和待掘進的回風巷道的層位布置。在過去,由于平舒煤礦缺乏科學數(shù)據(jù),低水平巷道的布置通常利用經(jīng)驗參數(shù)。這種經(jīng)驗方法最終導致抽采率低,甚至無法達到預期的抽采效果,這對現(xiàn)場施工環(huán)境是極其危險的。因此,本研究進行了具有代表性的數(shù)值模擬分析,得到了不同低位巷垂距參數(shù)下15煤層的應力分布和變形特征,以此指導瓦斯抽放和回風巷道的科學布置。數(shù)值模擬結果表明,低位巷道煤層的垂直距離(5 m為最優(yōu)參數(shù))是影響煤層應力擾動的最直接因素。根據(jù)平舒煤礦以往的巷道設計方案,考慮到經(jīng)濟效益、維護巷道穩(wěn)定、施工和測量設備高度等因素,低層巷與煤層之間的垂距建議定為5 m。如圖8所示,根據(jù)煤層傾斜方向的應力再分布情況,回風巷道應避開以低位巷道為中心的兩側8~40 m的應力集中區(qū)。相反,回風巷道建議布置在0~8 m的卸壓范圍內,且越靠近低位巷,卸壓效果越好(距中心0~6 m為最佳距離)。由于該范圍煤層變形較大,產(chǎn)生縱橫交錯的裂縫,有利于形成瓦斯泄壓通道,從而提高鉆孔的瓦斯排放效果。所以排瓦斯工程應安排在低位巷掘進形成的卸壓區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)。另外,回風巷道不宜直接布置在低位巷道正下方,因為兩巷道之間的距離過近,回風巷道掘進時,低層巷道的圍巖受到二次開采的影響,破壞程度加劇,增加了巷道維護的難度。因此,回風巷道應偏離低層巷道中心2 m以上。取上述涉及的合理范圍的交集,可以得出2個巷道之間的最佳水平距離為2~6 m。 此外,15211工作面在開采期間采用“U型”通風,受漏風規(guī)律的影響,回風巷道至工作面邊界煤壁1/3處的瓦斯?jié)舛仍陂_采期間明顯高于其他位置。
綜上所述,15211工作面回風巷道的合理布局為:沿15煤層走向掘進,與工作面垂距為5 m,按照相似鄰近工作面的一般施工經(jīng)驗參數(shù),設計為矩形斷面,尺寸5.0 m × 2.6 m,向外布置4 m的低位巷道。
3 工程應用
根據(jù)上述分析,在平舒煤礦15211工作面施工頂板低位巷,巷道尺寸為5.0 m×2.6 m,位于工作面頂板上部5 m的砂質泥巖中。15211回風巷掘進期間,沿低位巷走向共施工150個鉆場,每個鉆場施工14個穿層鉆孔抽采混合瓦斯氣體,以控制回風巷卸壓范圍內瓦斯?jié)舛?。為了考察瓦斯預抽效果,統(tǒng)計了6個月3個代表性鉆場的氣體抽放數(shù)據(jù),其中每個鉆井場捕獲的瓦斯量是14個鉆孔的排氣孔的總量,如圖9所示。
由圖9可知,瓦斯抽放混合量穩(wěn)定在0.25~0.33 m/min,瓦斯抽放濃度為30%~70%,瓦斯抽放平均濃度約為55%。混合氣體抽采前期即0 d至120 d內,瓦斯抽放混合量和鉆孔瓦斯?jié)舛染3衷谳^高水平;到120 d后的瓦斯抽采后期,雖然氣體抽采總量維持不變,但瓦斯抽采純量已逐漸低于整體平均值。該現(xiàn)象也證明了低位巷及其施工的穿層鉆孔持續(xù)收集卸壓范圍內的游離及吸附瓦斯到一定量后,煤層內瓦斯殘余瓦斯?jié)舛认陆担瑫r證明了下向穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯取得了良好的試驗效果。
在回風巷道掘進過程中,根據(jù)《煤與瓦斯突出防治細則》規(guī)定的臨界值,對煤與瓦斯突出危險性指標進行了預測。預測結果如圖10所示。鉆屑瓦斯解吸指數(shù)K為0.21~0.35 mL/(g·min),小于臨界值0.5 mL/(g·min);鉆屑量S為2.4~3.7 kg/m,小于臨界值6 kg/m,均未超過臨界值,證明消除了煤巷煤與瓦斯突出的危險性。另外,15211回風巷原始瓦斯含量為11.74 m/t,掘進期間殘余瓦斯含量為7.21 m/t,噸煤平均含氣量下降了約4.5 m。并且回風巷月平均掘進速度為140 m,側面證明了高效的瓦斯抽放效果對回風巷施工方面的增益作用。
4 結 論
1)低抽巷掘進對15煤層工作面應力環(huán)境擾動呈非均勻性。根據(jù)應力分布規(guī)律,15煤層的走向方向分為原狀應力區(qū)和應力釋放區(qū),傾斜方向分為原狀應力區(qū)、應力集中區(qū)和應力釋放區(qū)。
2)3種不同垂距的數(shù)值模擬方案得出:當?shù)臀幌锱c煤層的垂直距離為5 m時,15煤層的傾向應力釋放范圍為低層巷道中心線兩側共16 m。最大應力釋放度約為13.90%,最大變形量為3.20%。在這種巷道布置下,綜合應力釋放效果最好,有利于瓦斯卸壓和抽放。
3)15211工作面的低位巷道布置在距15煤層頂板上方5 m的砂質泥巖中,巷道寬度為5 m,巷道高度為2.6 m,應用結果表明,在這種布置下,15煤層的卸壓和增強透氣性效果明顯。通過下向穿層鉆孔施工強化氣體抽采,可以有效地消除回風巷中的煤層瓦斯突出,達到安全快速掘進煤炭巷道的目的。
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