劉繼勇

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉045000）

許多大型煤礦“一礦一線兩面”的高效開(kāi)采模式，加大了工作面的產(chǎn)量，但瓦斯問(wèn)題逐漸凸顯[1-3]，事故時(shí)有發(fā)生。高抽巷瓦斯抽采作為一種主要的抽采方法，具有抽采純量高、影響半徑大、服務(wù)年限長(zhǎng)的特點(diǎn)，合理的高抽巷布置方式能夠有效降低上隅角及回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛?，保證安全生產(chǎn)，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究[4-6]。錢鳴高[7]院士在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上闡述了采空區(qū)孔隙“O”型圈分布特征，姜福興[8]教授推導(dǎo)出了巖層質(zhì)量指數(shù)。高延法[9]教授研究了巖移“四帶”模型，這對(duì)計(jì)算和解釋導(dǎo)水?dāng)嗔褞У男螒B(tài)和高度都有很大的幫助。楊楓[10]等對(duì)比了高位鉆孔、高抽巷以及采空區(qū)抽采鉆孔3 種抽采方式，認(rèn)為高抽巷能夠有效控制上隅角瓦斯?jié)舛?，提高了工工作面回采效率。徐永佳[11]以首山一礦為研究對(duì)象，根據(jù)傾向覆巖理論建立了裂隙發(fā)育模型，計(jì)算出了高抽巷最終的合理位置。王偉、程遠(yuǎn)平、劉洪永[12]等基于sigmoid 函數(shù)建立了采空區(qū)滲流模型，應(yīng)用CFD 動(dòng)態(tài)模擬軟件模擬了高抽巷抽采條件下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律。為解決下溝煤礦ZF301 工作面瓦斯超限的問(wèn)題，宋衛(wèi)華[13]等應(yīng)用FLUENT 軟件模擬了頂板高抽巷不同空間位置時(shí)的抽采效果，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐最佳方案后，上隅角瓦斯超限問(wèn)題得到了有效的控制。以寺家莊礦15106 工作面為研究對(duì)象，該工作面同時(shí)存在抽采鄰近層瓦斯涌出的高位抽放巷與控制上隅角瓦斯?jié)舛鹊牡臀怀榉畔?，基于采空區(qū)“O”型圈垮落分布規(guī)律以及關(guān)鍵層理論，應(yīng)用理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)結(jié)合的方法，優(yōu)化該工作面低位抽放巷布置工藝，解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題。

1 相似模擬

1.1 工作面概況

寺家莊煤礦15106 綜采工作面在+510 m 水平，主采15#煤層平均厚度為5.4 m，平均埋深為480 m。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1810.6 m，工作面長(zhǎng)206 m。預(yù)計(jì)本工作面回采期間的絕對(duì)瓦斯涌出量為189 m3/min，其中，鄰近層瓦斯涌出量為144 m3/min，本煤層瓦斯涌出量為45 m3/min，只考慮本煤層瓦斯涌出及低位抽放巷抽采。15106 綜采工作面存在2個(gè)地面鉆孔，綜合得到采面覆巖巖性及厚度。

1.2 相似模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)“O”型圈理論可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)抽放巷空間位置前應(yīng)確定離層裂隙區(qū)范圍，使抽放巷布置在此范圍內(nèi)。相似模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸為3 m×0.25 m×2 m。設(shè)定模型與實(shí)體之間的幾何相似比為200、時(shí)間相似比為14.14、應(yīng)力相似比為320。相似材料為沙子、石灰、石膏和水，基于覆巖巖性及厚度，按照相似比配比模型材料。

測(cè)量相似模型試驗(yàn)得到的覆巖破斷角與回采距離關(guān)系如圖1，可工作面回采過(guò)程中切眼側(cè)破斷角穩(wěn)定在60°，回采側(cè)破斷角在43°～68°波動(dòng)，平均54°。測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀癘”型圈離層區(qū)域?qū)捈s為20 m，相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖1 覆巖破斷角與回采距離關(guān)系圖Fig.1 Relation diagram of rock stratum fracture angle and mining distance

圖2 相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.2 Similar simulation results

寺家莊礦為突出礦井，按照防突規(guī)定巖巷與煤層垂直距離應(yīng)大于5 m，垂距過(guò)高不利于上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂?，與回風(fēng)巷越近越有利于下行鉆孔施工，綜合考慮，低位抽放巷垂距應(yīng)為5～9 m，低位抽放巷最佳位置示意圖如圖3。

圖3 低位抽放巷最佳位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimum location of low drainage roadway

低位抽放巷應(yīng)落于圖中綠色區(qū)域，則內(nèi)錯(cuò)距L取值范圍為：

式中：Hg為低位抽放巷高度，取3 m；Lg為低位抽放巷寬度，取4.5 m；LO為“O”型圈離層裂隙區(qū)寬度，取20 m。

代入數(shù)據(jù)后可以得到0.8 m≤L≤21.5 m。則15106 工作面低位抽放巷位置應(yīng)該為距回風(fēng)巷垂距5～9 m，內(nèi)錯(cuò)距0.8～21.5 m。

2 模型建立及模擬結(jié)果

2.1 模型及邊界條件

模型建立基于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、組分守恒方程和standard k-ε[14]湍流方程建立的數(shù)學(xué)模型。為了既能夠準(zhǔn)確反映采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的同時(shí)又盡可能的簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，作出理想化假設(shè)[15]。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，簡(jiǎn)化采空區(qū)模型，幾何模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 幾何模型參數(shù)表Table 1 Geometric model parameters table

依據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)置低位抽放巷距工作面頂板垂距分別為5、7、9 m，與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距分別為1、2、3、4、5、7、9、20、30 m。應(yīng)用Gambit 軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行submap 類型網(wǎng)格劃分，進(jìn)、回風(fēng)巷網(wǎng)格步距為0.5 m，網(wǎng)格共480 個(gè)，采空區(qū)網(wǎng)格步距為1 m，網(wǎng)格共286 092 個(gè)，幾何模型網(wǎng)格圖如圖4。

圖4 幾何模型網(wǎng)格圖Fig.4 Geometric model grids diagram

模型為湍流模型的k-epsilon 中的standard 模型，材料為瓦斯和空氣的混合物；工作面與采空區(qū)交界面設(shè)置為內(nèi)部界面，重力設(shè)置為-9.8 m/s2。

1）進(jìn)風(fēng)巷的入口設(shè)置為速度入口并設(shè)置風(fēng)速，水力直徑和湍流強(qiáng)度，依據(jù)計(jì)算公式得出：風(fēng)速取2.9 m/s、水力直徑為3.6 m、湍流強(qiáng)度為3.1。

2）回風(fēng)巷出口設(shè)置為自由出流。

3）工作面、進(jìn)回風(fēng)巷、采空區(qū)均設(shè)置為流體區(qū)域，將采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域、層流區(qū)域，設(shè)置瓦斯源項(xiàng)。

4）瓦斯涌出量為45 m3/min，瓦斯源項(xiàng)設(shè)為均勻涌出，采空區(qū)瓦斯總源項(xiàng)為1.35×10-5kg/（m3·s）。

5）設(shè)置低位抽放巷出口為風(fēng)扇條件并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置負(fù)壓為3 kPa。

6）將孔隙率和滲透率編寫為Fluent 中的UDF程序，即可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)孔隙率和黏性阻力系數(shù)的非均質(zhì)分布，孔隙率符合“O”型圈分布規(guī)律[16-20]。

根據(jù)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀使用規(guī)范》要求，甲烷傳感器距頂板不得大于300 mm，距巷道側(cè)壁不得小于200 mm[14]，在上隅角位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)上隅角瓦斯?jié)舛?，坐?biāo)為（0，-99.8，14.45），該點(diǎn)距離頂板200 mm，距離巷道側(cè)壁200 mm；在低位抽放巷負(fù)壓口設(shè)置監(jiān)測(cè)面，監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)抽放瓦斯?jié)舛燃傲髁俊?/p>

2.2 模擬結(jié)果

模擬無(wú)抽放巷時(shí)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖如圖5。

圖5 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖Fig.5 Distribution chart of gas concentration in goaf

無(wú)抽放巷抽采時(shí)，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷處A 點(diǎn)范圍瓦斯?jié)舛茸畹?，回風(fēng)巷上部的B 點(diǎn)范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡邽?6%。工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?%，達(dá)到瓦斯預(yù)警。

加入低位抽放巷時(shí)，低位抽放巷與煤層頂板垂距為7 m，與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距3 m 時(shí)的瓦斯分布如圖6。

圖6 低位抽放巷垂距7 m，內(nèi)錯(cuò)距3 m 時(shí)的瓦斯分布圖Fig.6 Gas distribution of 7 m vertical distance and 3 m horizontal distance of low drainage roadway

加入低位抽放巷抽采后，采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@降低，僅在采空區(qū)內(nèi)部回風(fēng)巷上方存在小部分高瓦斯?jié)舛确秶?，上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鐖D7，低位抽放巷純瓦斯流量變化如圖8。

圖7 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.7 Change in gas concentration in the upper corner

圖8 低位抽放巷純瓦斯流量變化Fig.8 Change of pure gas flow in low drainage roadway

由圖7、圖8 可知，當(dāng)?shù)臀怀榉畔锱c煤層頂板垂距一定時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛入S內(nèi)錯(cuò)距加大先降低后升高，低位抽放巷內(nèi)純瓦斯流量變化趨勢(shì)與之相反。當(dāng)?shù)臀怀榉畔飪?nèi)錯(cuò)距小于3 m 時(shí)，其位置恰好處于破斷角范圍外，裂隙發(fā)育不完整，抽采效果較差；當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距在3～9 m 時(shí)，此時(shí)低位抽放巷恰好處于采空區(qū)“O”型圈離層裂隙區(qū)，裂隙發(fā)育，抽采效果最佳；當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距大于9 m 時(shí)，低位抽放巷無(wú)法有效的阻擋采空區(qū)瓦斯流入工作面，抽采效果逐漸下降。

當(dāng)?shù)臀怀榉畔锱c回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距一定時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛入S著垂距的增加先降低后升高，是因?yàn)榈臀怀榉畔锎咕噙^(guò)高時(shí)無(wú)法對(duì)低層位瓦斯涌入工作面起到攔截作用。低位抽放巷內(nèi)純瓦斯流量隨著垂距的增加逐漸增加，主要是煤層回采過(guò)程中，上覆巖層會(huì)產(chǎn)生兩類裂隙，瓦斯在升浮效應(yīng)的作用下由低層位流向高層位，使高層位瓦斯量高于低層位。

由模擬結(jié)果可知，低位抽放巷內(nèi)錯(cuò)距為3～9 m、垂距為7～9 m 時(shí)，抽采效果最佳，但考慮現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)巷抽采時(shí)，低位抽放巷垂距為7 m 時(shí)更便于下行鉆孔的實(shí)施。由上可以將低位抽放巷層位優(yōu)化為垂距7 m，內(nèi)錯(cuò)距為3～9 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

根據(jù)研究結(jié)果，施工低位抽放巷工作面頂板垂距7.2 m，與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距5.1 m，巷道為矩形，寬4.5 m，高2.9 m。掘進(jìn)完成后在距離巷道口8 m 處施工密閉墻，并安放抽放管路及瓦斯監(jiān)測(cè)束管。

在低位抽放巷進(jìn)行抽采后的30 d 內(nèi)，監(jiān)測(cè)上隅角瓦斯?jié)舛燃暗臀怀榉畔飪?nèi)純瓦斯流量，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果如圖9。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果Fig.9 Field test effect

巷抽采初期效果不佳，因?yàn)殛P(guān)鍵層垮落之前，上覆巖層形成的裂隙較小，并且不斷有采空區(qū)落煤及采煤產(chǎn)生的瓦斯逸散至工作面，造成上隅角瓦斯?jié)舛炔粩嗌?，最高達(dá)到0.86%，存在超限危險(xiǎn)。隨著工作面推進(jìn)，大裂隙逐漸產(chǎn)生，“O”型圈離層裂隙區(qū)形成，進(jìn)入正常抽采時(shí)期，低位抽放巷抽采純瓦斯流量增加至31.9～37.2 m3/min，平均值為34.7 m3/min；上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低在0.42%～0.49%，平均值為0.47%，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相符。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)“O”型圈理論和相似模擬實(shí)驗(yàn)，破斷角約為54°，離層裂隙區(qū)寬度約為20 m，低位抽放巷應(yīng)布置在與工作面頂板垂距5～9 m，與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距為0.8～21.5 m。

2）應(yīng)用Fluent 模擬不同位置低位抽放巷抽采效果后，確定低位抽放巷最佳位置為與工作面頂板垂距7 m，與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距3～9 m。

3）施工低位抽放巷與工作面頂板垂距7.2 m，與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)距5.1 m，上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行У乜刂疲痉€(wěn)定在0.47%，達(dá)到了預(yù)期效果，可為其他工作面治理上隅角瓦斯提供借鑒。