張聰華

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

0 引言

隨著近些年煤礦開采機(jī)械化程度的提高，采煤工作面的開采強(qiáng)度日益增強(qiáng)，導(dǎo)致高瓦斯礦井面臨的瓦斯威脅加劇，工作面上隅角、回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯超限問題成為影響礦井生產(chǎn)效率和安全的重要因素。高抽巷瓦斯抽采技術(shù)是近些年新興的一種對(duì)于解決上隅角瓦斯超限問題非常行之有效的技術(shù)手段，而高抽巷的布置層位、布置方式等是決定其應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。為保證煤礦的安全高效生產(chǎn)，以1228工作面為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬、理論計(jì)算研究分析其高抽巷的相關(guān)參數(shù)，指導(dǎo)1228工作面瓦斯的治理工作，對(duì)于保證高瓦斯工作面的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

山西離柳礦區(qū)某礦主采2、3號(hào)煤層，2號(hào)煤層厚0～3.13m，平均1.40m，屬全井田穩(wěn)定大部分可采煤層；3號(hào)煤層厚度0～1.85m，平均1.00m，屬不穩(wěn)定局部可采煤層；礦井為高瓦斯礦井；2、3、9、10+11號(hào)煤層之煤塵均有爆炸危險(xiǎn)性；2號(hào)煤層屬自燃煤層。礦井現(xiàn)開采2號(hào)煤層，礦井開采上組煤時(shí)設(shè)一個(gè)開采水平，水平標(biāo)高+585m，2號(hào)、3號(hào)煤層聯(lián)合開采，1228綜采工作面走向長(zhǎng)度1630m，切眼總長(zhǎng)184m，切眼實(shí)體長(zhǎng)176m。煤層采高2.85m，1228工作面采用U型通風(fēng)，即1228運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，1228材料巷回風(fēng)，1228綜采工作面在掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量0.90m3/min，回采期間，絕對(duì)瓦斯涌出量9.75m3/min，工作面采用走向高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯的治理方法。

2 高抽巷合理布置參數(shù)理論分析

2.1 高抽巷垂直布置層位

采煤工作面采用自然垮落法管理頂板，采空區(qū)上覆巖層根據(jù)其垮落情況，在垂直方向可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[1]，在煤層上部巖層內(nèi)布置用來抽放采空區(qū)瓦斯的高抽巷時(shí)，高抽巷與煤層頂板的垂直距離對(duì)瓦斯抽采的效果非常關(guān)鍵，采空區(qū)上覆巖層中的裂隙帶，巖塊之間裂隙非常大，空氣連通性運(yùn)移非常有益，采空區(qū)瓦斯容易在該層位匯集，因此將高抽巷布置在該層位中，將會(huì)取得更為理想的瓦斯治理效果，根據(jù)生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告得知2#煤頂板屬于中硬圍巖，則其冒落帶和裂隙帶的計(jì)算公式如下[2]：

冒落帶：

裂隙帶：

式中：m為工作面采高，1228工作面平均采高為2.85m，代入式（1）計(jì)算可得1228工作面采空區(qū)上覆巖層冒落帶高度為15.29～19.69m，裂隙帶發(fā)育高度為29.33～40.52m，由此可知，1228工作面采空區(qū)上覆巖層裂隙帶發(fā)育范圍為20～41m，走向高抽巷與煤層頂板的距離應(yīng)盡量處于該范圍內(nèi)。

2.2 高抽巷水平布置參數(shù)理論分析

走向高抽巷通常布置在采煤工作面兩個(gè)回采巷道之間，由于工作面回風(fēng)巷道一側(cè)瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高，有益于高抽巷對(duì)于采空區(qū)瓦斯的抽采，因此高抽巷布置在回風(fēng)巷一側(cè)，即1228材料巷一側(cè)，但是高抽巷與1228材料巷的距離不易太小，距離過小易導(dǎo)致高抽巷的風(fēng)流和回風(fēng)風(fēng)流聯(lián)通，導(dǎo)致回采巷道漏風(fēng)，將影響工作面瓦斯的排放，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)，高抽巷水平布置位置的理論計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 高抽巷水平布置位置理論計(jì)算模型

高抽巷與1228材料巷水平距離計(jì)算公式[3]：

式中：S為高抽巷距1228材料巷的水平距離；△L為高抽巷抽采瓦斯充分卸壓的范圍；L1為確保高抽巷圍巖穩(wěn)定的水平投影長(zhǎng)度；X為采煤工作面傾斜長(zhǎng)度，1228工作面為184m；L距離1228材料巷不卸壓的水平投影長(zhǎng)度；L=，H為工作面采高，為2.85m，β為采空區(qū)上覆巖層卸壓角，為72.5°，則 L=9.0m；L1=，α為上覆巖層冒落角，為67.5°，則L1=6.9m；以上參數(shù)代入式（4）計(jì)算可得△L=17.44m，則高抽巷距1228材料巷的水平距離S=24.34m。由此可知，為保證高抽巷抽采的獨(dú)立性，其與1228材料巷的水平距離不小于24.34m，此外，高抽巷距離1228材料巷的水平距離要小于工作面長(zhǎng)度的1/3（61.33m），則走向高抽巷和1228材料巷的水平距離應(yīng)在24～61m范圍內(nèi)較合理。

3 高抽巷合理布置參數(shù)模擬研究

高抽巷的布置層位最終歸結(jié)于對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采效果的影響，為更加準(zhǔn)確的確定1228工作面高抽巷的合理布置層位，以求達(dá)到較好的瓦斯抽采效果，采用Fluent模擬軟件對(duì)不同高抽巷位置條件下采空區(qū)瓦斯抽采效果進(jìn)行模擬分析[4]，首先采用Workbench-Geometry前處理器建立采空區(qū)物理模型，然后采用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)、邊界條件，然后通過Fluent進(jìn)行求解。整個(gè)模型尺寸為190m（寬）×240m（長(zhǎng)）×49m（高），高抽巷抽采負(fù)壓為7.5kPa，進(jìn)風(fēng)口配風(fēng)量為35m3/s，出風(fēng)口為自由出口，高抽巷設(shè)置為壓力出口。首先對(duì)高抽巷的垂直層位進(jìn)行模擬分析，參考理論計(jì)算的結(jié)果，設(shè)計(jì)高抽巷距離煤層頂板分別為24m、28m、32m、36m，高抽巷距離1228材料巷的水平距離設(shè)置為30m。

圖2 1228工作面采場(chǎng)網(wǎng)格模型

不同垂距條件下高抽巷內(nèi)瓦斯抽采純量、抽采濃度及上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓P(guān)系如圖3所示，隨著高抽巷與煤層頂板垂直距離的增大，上隅角瓦斯?jié)舛燃案叱橄锍椴赏咚節(jié)舛瘸尸F(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，而瓦斯抽采純量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)于該種現(xiàn)象可進(jìn)行如下解釋，當(dāng)高抽巷與煤層頂板垂距為24～28m之間時(shí)，高抽巷靠近采空區(qū)，高抽巷處于裂隙帶的中下部，能有效抽采工作面瓦斯，故上隅角瓦斯?jié)舛容^低，但是由于回風(fēng)巷的漏風(fēng)導(dǎo)致瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞枯^低，對(duì)于裂隙帶中上部的瓦斯抽采效果不佳；當(dāng)高抽巷布置在距離煤層頂板32m處，高抽巷位于裂隙帶中上部，能夠有效抽采整個(gè)裂隙帶的瓦斯，因此瓦斯純量和濃度增高，由于距離工作面較遠(yuǎn)，因此工作面上隅角的瓦斯?jié)舛容^高；當(dāng)高抽巷距離煤層頂板36m時(shí)，高抽巷位于裂隙帶上部，距離采空區(qū)較遠(yuǎn)，采空區(qū)瓦斯上浮受到較大的阻力，采空區(qū)的瓦斯不能及時(shí)抽排，因此瓦斯的抽采純量和抽采濃度下降；綜上所述，高抽巷抽采后上隅角的瓦斯?jié)舛染∮?%，滿足要求，當(dāng)高抽巷布置在垂距為32m時(shí)，對(duì)于采空區(qū)瓦斯的抽采效果最佳，因此確定高抽巷最佳布置垂距為38m。

圖3 不同垂距下數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 不同水平距離條件下模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為確定高抽巷平面最佳的布置位置，參考理論計(jì)算的距1228材料巷合理范圍為24～61m，對(duì)距1228材料巷水平距離為 25m、35m、45m、55m條件下的抽采效果進(jìn)行模擬分析，模擬時(shí)高抽巷距底板的垂直距離為32m。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果整理得到圖4，由圖可以看出，隨著高抽巷與1228材料巷水平距離的增大，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u增大，主要由于高抽巷距離上隅角距離越來越大；瓦斯抽采純量和濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)高抽巷距1228材料巷較近時(shí)，材料巷部分風(fēng)流會(huì)涌入高抽巷，導(dǎo)致高抽巷無法抽采高濃度的瓦斯，因此隨著水平距離增大，瓦斯的抽采純量和濃度逐漸增大；當(dāng)水平距離大于35m時(shí)，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛扔行娣e在縮減，且上隅角瓦斯?jié)舛葘⒕S持在較高的水平。綜上分析，顯然將高抽巷布置在距離1228材料巷35m處時(shí)是最合理的。

4 結(jié)論和建議

針對(duì)高瓦斯礦井，為使走向高抽巷取得良好的瓦斯治理效果，通過理論分析計(jì)算得到高抽巷距煤層底板合理垂距的范圍為20～41m，高抽巷與1228材料巷合理水平距離的范圍為24～61m，采用Fluent模擬軟件對(duì)不同垂距、水平距離條件下的抽采效果進(jìn)行研究，進(jìn)一步確定高抽巷布置在距采空區(qū)底板32m，距1228材料巷水平距為35m處的位置為高抽巷布置的最佳位置。研究結(jié)果為1228工作面高抽巷的布置提供可靠依據(jù)。后期的瓦斯抽采驗(yàn)證了高抽巷位置的合理性。