李 寧，王安虎，陳 亮

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000;2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局 信息研究院，北京 100029)

高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯是一種有效的技術(shù)措施，主要以采空區(qū)覆巖移動(dòng)破壞形成的頂板裂隙為通道來抽放卸壓瓦斯，以減少采空區(qū)瓦斯向工作面及上隅角涌出［1－3］.煤層覆巖冒落變形形成的裂隙發(fā)育區(qū)不但是瓦斯主要的聚集區(qū)域，而且也是瓦斯運(yùn)移的主要通道［4－6］.通過對(duì)采空區(qū)“豎三帶”分析得出，將高位鉆孔終孔位置布置在工作面上隅角頂板上部的裂隙帶中，可達(dá)到最佳抽采效果［7］. 因此，如何合理確定裂隙帶高度及準(zhǔn)確把握采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移規(guī)律，成為高位鉆孔能否實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行高效抽采的主要制約因素。本文采用UEDC 和Fluent 數(shù)值模擬軟件，對(duì)采場上覆巖層中裂隙分布特征與采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，并結(jié)合裂隙帶中瓦斯的分布狀況，合理地優(yōu)化鉆孔布置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高位鉆孔對(duì)裂隙帶富集瓦斯的高效抽采。

1 工作面概況

郭村煤礦12041 工作面煤層瓦斯含量為8 ～10 m3/t，平均厚度為5.5 m，傾角為18°，煤層透氣性系數(shù)為2.5 ×10－4～4.2 ×10－4m2/MPa2d，屬于低透氣性難抽采煤層，工作面走向長度為590 m，傾向長度為180 m，采用走向長壁綜采放頂煤回采工藝，頂板管理為全部垮落法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，工作面冒落帶高10.1 ～14.5 m，裂隙帶高度為50 ～82.56 m，平均66.28 m.

2 采空區(qū)上覆巖層冒落規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為全面掌握回采期間工作面采空區(qū)上覆巖層的冒落變形情況，將模型設(shè)計(jì)為沿工作面走向的二維計(jì)算模型，為了觀測到巖塊的垮落變形現(xiàn)象，在整個(gè)模型垂直方向施加重力加速度為9.8 m/s2. 同時(shí)在頂板中布置了4 條觀測線(2 m、20 m、40 m、60 m 處)，用于觀測采場覆巖變形及應(yīng)力變化規(guī)律，見圖1.

圖1 模型邊界條件示意圖

2.2 模型物理力學(xué)參數(shù)

模型的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 模型的物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 邊界條件

模型前后左右4 個(gè)側(cè)面為單約束邊界，邊界水平位移為零，邊界結(jié)點(diǎn)只允許沿垂直方向運(yùn)動(dòng);模型底部為全約束邊界，即底部邊界結(jié)點(diǎn)水平位移、垂直位移均為零;模型上部邊界載荷依據(jù)模型埋深，上覆巖石自重應(yīng)力加載［8］.

2.4 模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果顯示:當(dāng)工作面推進(jìn)20 m、40 m、60 m時(shí)，上覆巖層冒落形態(tài)見圖2.

由圖2 可知，工作面推進(jìn)20 m 時(shí)，直接頂開始呈“拱”形冒落;工作面推進(jìn)40 m 時(shí)直接頂發(fā)生離層現(xiàn)象并出現(xiàn)垮落，頂板中的滑移裂隙和張開裂隙區(qū)域均有所增加，采空區(qū)上方張開裂隙已延伸至頂板50 m處，50 ～65 m 處存在不同程度的張開裂隙，滑移裂隙向工作面推進(jìn)方向擴(kuò)大延伸且主要分布于未開采的煤體上方;工作面推進(jìn)60 m 時(shí)，頂板已垮落接底，采空區(qū)上方頂板中張開裂隙分布區(qū)域再次擴(kuò)大，50 ～65 m處張開裂隙增加，由于工作面推進(jìn)60 m 時(shí)，亞關(guān)鍵層斷裂垮落，破斷巖層逐步填滿采空區(qū)，導(dǎo)致裂隙延伸高度至65 m 處不再向上發(fā)展，裂隙帶高度最大為65 m.

根據(jù)以上模擬結(jié)果顯示，頂板完全跨落后，裂隙帶最大延伸高度約為65 m，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式理論計(jì)算值，裂隙帶高度為50 ～82.56 m，平均66.28 m，可確定采空區(qū)裂隙帶高度約為50 ～65 m.

3 采空區(qū)瓦斯分布特征數(shù)值模擬

3.1 模型建立

圖2 隨工作面推進(jìn)上覆巖層冒落形態(tài)圖

為準(zhǔn)確把握采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及分布特征，運(yùn)用Fluent 軟件建立了U 型通風(fēng)下回采工作面采空區(qū)物理模型，采空區(qū)長200 m，寬180 m，高65 m，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長20 m，寬3 m，工作面寬為5 m，見圖3.

圖3 采空區(qū)數(shù)值模擬物理模型圖

3.2 邊界條件

12041 回采工作面采空區(qū)的瓦斯涌出量為10.5 m3/min，瓦斯密度為0.7 kg/m3.因此，模擬過程所設(shè)置參數(shù)如下:

采空區(qū)瓦斯源項(xiàng):

運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速:

3.3 模擬結(jié)果及分析

運(yùn)用上述模型，模擬得出采空區(qū)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)立體分布云圖見圖4.

圖4 采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)立體分布云圖

沿回采工作面方向，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖見圖5.

圖5 沿工作面方向的瓦斯?jié)舛确植荚茍D

為更直觀了解距上隅角不同位置，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布狀況，特截取距離上隅角0 m、15 m、20 m、25 m時(shí)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比結(jié)果圖，見圖6.

圖6 距離上隅角不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比圖

由圖4 ～6 可以看出:沿采空區(qū)方向，離工作面越遠(yuǎn)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)越高;沿工作面方向，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)內(nèi)較低，而在回風(fēng)巷的上隅角處較高，結(jié)合距上隅角不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比結(jié)果，得出距上隅角平面約30 m 范圍內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高;沿垂直方向，裂隙帶內(nèi)上部瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于冒落帶內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，并在50 ～65 m 達(dá)到最大。造成前兩個(gè)現(xiàn)象的直接原因?yàn)?工作面漏風(fēng)將瓦斯隨風(fēng)流攜帶到上隅角，而裂隙帶瓦斯?jié)舛雀哂诿奥鋷咚節(jié)舛仁怯捎谕咚官|(zhì)量分?jǐn)?shù)較空氣輕，造成瓦斯上?。?］.綜合上述分析可得，在距離上隅角平面距約30 m，距回采面垂高50 ～65 m 的范圍內(nèi)，為瓦斯富集區(qū)域，應(yīng)是高位鉆孔終孔重點(diǎn)布置層位。

4 高位鉆孔抽放工藝設(shè)計(jì)及抽放效果

4.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

在回風(fēng)巷內(nèi)做高位鉆場，然后施工高位鉆孔對(duì)距離回風(fēng)巷30 m、工作面上部50 ～65 m 區(qū)域內(nèi)進(jìn)行抽放。高位鉆場布置在煤層頂板穩(wěn)定的巖層中，鉆場內(nèi)高位鉆孔終孔位置處于工作面上方50 ～65 m，兩鉆孔終孔之間距離不大于7 m，每兩鉆場鉆孔之間的壓茬不低于20 m.鉆孔直徑110 mm，孔內(nèi)下置89 mm抽放管，水泥沙漿封孔，見圖7.

圖7 高位鉆孔布置示意圖

4.2 抽放效果

該抽放方法有效地利用了頂板垮塌后采空區(qū)上部的裂隙發(fā)育帶。在抽放負(fù)壓的作用下，采空區(qū)上部積聚的高濃度瓦斯通過裂隙帶不斷進(jìn)入抽放管路。回風(fēng)巷1#～4#高位鉆場數(shù)據(jù)顯示，高位鉆場抽采瓦斯純量最大達(dá)3.64 m3/min，平均為2.40 m3/min，且抽采濃度在30% ～60%，抽采效率較高，有效降低了工作面上隅角瓦斯涌出，抑制了上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

5 結(jié) 語

1)通過UDEC 數(shù)值模擬軟件，模擬研究了開采煤層上覆巖層冒落變形形態(tài)與裂隙分布特征，得出裂隙帶延伸高度約為65 m，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的理論值，確定采空區(qū)裂隙帶高度為50 ～65 m.

2)運(yùn)用Fluent 軟件，模擬了U 型通風(fēng)方式下工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，得出在距離上隅角平面約30 m，距回采面垂高50 ～65 m 的范圍內(nèi)為瓦斯富集區(qū)域，是高位鉆孔終孔重點(diǎn)布置層位。

3)針對(duì)瓦斯富集區(qū)域，確定了高位鉆場瓦斯抽放鉆孔的終孔層位，并對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化?，F(xiàn)場抽采試驗(yàn)表明:抽采效率較高，有效地抑制了上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

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