(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))平定東升興裕煤業(yè)有限公司,山西 陽(yáng)泉 054200)
陽(yáng)煤集團(tuán)興裕煤礦為高瓦斯礦井,現(xiàn)階段主要進(jìn)行15#煤層的回采工作,煤層埋藏深度366~433m,煤層結(jié)構(gòu)2.21(0.15)3.41(0.10)0.63m,總厚6.3m,煤層傾角3°~8°,平均4°,15#煤瓦斯含量最大為46.6m3/t,原始瓦斯壓力為3.68MPa,煤層硬度系數(shù)f為1.8,為中硬煤層,煤層破壞類型為第III類型,呈碎塊狀,原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和裂隙系統(tǒng)已不保存。
15#煤層首采工作面為15101工作面,工作面回采期間,采用走向高抽巷抽采卸壓瓦斯,走向高抽巷沿11#煤層頂板布置,距15101回風(fēng)巷的水平距離為45m,垂直距離為67.75m,15103工作面為接替工作面,與15101工作面間區(qū)段煤柱寬度為20m,工作面走向長(zhǎng)度710m,傾斜長(zhǎng)度195m,煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層平均厚6.5m,見(jiàn)圖1。預(yù)計(jì)15103工作面回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量為71.17m3/min左右,相對(duì)涌出量37.58m3/t。
圖1 15103工作面采掘工程平面
15101工作面回采期間,上隅角瓦斯?jié)舛容^高,瓦斯治理效果較差,為取得更好的工作面瓦斯治理效果,本文以15103工作面為背景,設(shè)計(jì)采用頂板走向長(zhǎng)鉆孔代替高抽巷進(jìn)行瓦斯抽采,為取得良好的抽采效果展開相關(guān)研究。
參考相關(guān)研究成果[1],工作面回采后,根據(jù)上覆巖層的破壞狀態(tài)沿垂直方向可分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,采空區(qū)中部冒落的矸石在上覆巖層地應(yīng)力作用下重新壓實(shí),采空區(qū)四周裂隙帶在水平面呈“o”形圈分布,見(jiàn)圖2(a)。冒落帶解吸出的瓦斯上浮進(jìn)入裂隙帶,“o” 形圈為卸壓瓦斯提供運(yùn)移和儲(chǔ)存空間,走向長(zhǎng)鉆孔是否能夠有效抽采該區(qū)域的瓦斯是決定瓦斯治理效果的關(guān)鍵。通過(guò)在回風(fēng)巷內(nèi)布置鉆場(chǎng),采用千米鉆機(jī)進(jìn)行頂板長(zhǎng)鉆孔的施工,鉆孔由鉆場(chǎng)通過(guò)一定角度向上爬坡,到達(dá)裂隙帶層位后開始沿水平方向鉆進(jìn),為保證鉆孔的抽采效果,需首先確定鉆孔水平段與工作面底板的垂直距離及與回風(fēng)巷的水平距離。
圖2 走向長(zhǎng)鉆孔布置原理
走向長(zhǎng)鉆孔需布置在裂隙帶內(nèi),即與底板的垂直距離應(yīng)在冒落帶最大高度與裂隙帶最小高度之間,根據(jù)興裕煤礦15103工作面地質(zhì)情況,頂板巖層巖性為中硬,因此冒落帶和裂隙帶的發(fā)育高度可由式(1)、式(2)初步確定[2]:
式中:H冒為冒落帶高度,m;H裂為裂隙帶高度,m;M為煤層厚度,m。
15103工作面煤層厚度為6.5m,由此計(jì)算可得頂板冒落帶高度為10.92~15.32m,裂隙帶高度為40.83~52.03m,冒落帶最大高度為15.32m,裂隙帶最小高度為40.83m,故走向長(zhǎng)鉆孔垂直布置高度在15~40m范圍內(nèi)較合理。
走向長(zhǎng)鉆孔水平段距回風(fēng)巷的水平距離應(yīng)滿足式(3)[3]:
式中:H為工作面采高,m;S為走向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷的距離,m;α為煤層傾角,為4°;β為采空區(qū)上覆巖層卸壓角,為65°;X為工作面寬度,為195 m。
通過(guò)式(3)計(jì)算可得,走向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷的距離應(yīng)在15~65m范圍內(nèi)。
為更加合理的設(shè)計(jì)頂板走向長(zhǎng)鉆孔的布置參數(shù),并驗(yàn)證替代高抽巷的可行性,根據(jù)15103工作面具體的地質(zhì)條件,采用Ansys數(shù)值軟件中的Geometry和Mesh模塊建立物理模型及網(wǎng)格劃分[4-5],通過(guò)Fluent進(jìn)行求解,模擬分析不同布置參數(shù)對(duì)瓦斯抽采效果的影響。通過(guò)Fluent進(jìn)行材料、邊界條件、控制參數(shù)的設(shè)置,迭代計(jì)算后,通過(guò)CFD-post對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化處理,直觀的掌握采空區(qū)瓦斯的分布規(guī)律。取采空區(qū)冒落帶高度為15m,裂隙帶高度為15~40m,工作面傾斜長(zhǎng)度為195m,寬度為7.0m,高度4.5m,進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長(zhǎng)度為10m,斷面為寬×高=5 m×4m,工作面走向推進(jìn)長(zhǎng)度為200 m。具體模型見(jiàn)圖3。
圖3 頂板走向長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)數(shù)值模型
結(jié)合前文的研究成果,走向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷水平距離應(yīng)在15~65m范圍內(nèi),故設(shè)計(jì)共6個(gè)長(zhǎng)鉆孔,水平布置間距為10 m。裂隙帶發(fā)育高度為15~40m,為確定長(zhǎng)鉆孔的垂直布置層位,故進(jìn)行長(zhǎng)鉆孔布置層位為20m、25m、30m、35 m條件下的抽采模擬分析,統(tǒng)計(jì)、整理各個(gè)長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采純量、平均抽采濃度及工作面上隅角瓦斯?jié)舛饶M值,得到結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 各層位條件下長(zhǎng)鉆孔抽采模擬結(jié)果
由圖4(a)中各鉆孔抽采純量可以看出,隨著鉆孔垂直層位的升高,各鉆孔內(nèi)抽采純量逐漸增大,且以距離回風(fēng)巷25m的鉆孔為例,鉆孔垂直層位由20 m增大為25m,抽采純量增加最為顯著,鉆孔垂直層位由25 m增大為30m、35m,抽采純量無(wú)明顯變化。由圖4(b)中總抽采純量和上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€可以看出,隨著鉆孔垂直層位的增大,總瓦斯抽采純量和上隅角瓦斯?jié)舛染饾u增大,鉆孔垂直層位由20 m增大為25m,總瓦斯抽采純量增大,且上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)小幅度的增加,鉆孔垂直層位由25 m增大為30m,總瓦斯抽采純量增幅較小,且上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著增大,超過(guò)了0.6%;兼顧抽采的時(shí)效性和抽采效率,選擇頂板走向長(zhǎng)鉆孔的最佳布置層位為20~25 m。
在頂板長(zhǎng)鉆孔垂直層位25 m條件下,分別進(jìn)行抽采負(fù)壓為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa條件下的模擬分析,整理得到的結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,隨著抽采負(fù)壓的增大,各鉆孔抽采純量逐漸增大,抽采負(fù)壓由10 kPa增大至15 kPa、20 kPa,抽采純量增幅較大,抽采負(fù)壓由20 kPa增大至25 kPa,抽采純量?jī)H有微小增幅;隨著抽采負(fù)壓的增大,平均抽采濃度和上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u減小,抽采負(fù)壓由10 kPa增大至15 kPa、20 kPa,上隅角瓦斯?jié)舛冉档惋@著,平均抽采濃度也明顯下降,而抽采負(fù)壓增大至25 kPa,上隅角瓦斯?jié)舛葴p小不明顯,且平均抽采濃度進(jìn)一步下降,因此整體而言,抽采負(fù)壓為20 kPa時(shí)抽采效果最佳。結(jié)合圖4、圖5的模擬結(jié)果可以看出,鉆孔距回風(fēng)巷15~45m范圍內(nèi)時(shí),鉆孔的抽采純量較大,抽采效果較好。
圖5 各抽采負(fù)壓條件下長(zhǎng)鉆孔抽采模擬結(jié)果
將上述參數(shù)條件下走向長(zhǎng)鉆孔和高抽巷的抽采效果進(jìn)行分析,兩種抽采方式條件下,采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律基本一致,上隅角附近瓦斯?jié)舛染玫接行Э刂?,由于走向長(zhǎng)鉆孔水平方向覆蓋范圍更大,長(zhǎng)鉆孔抽采在回風(fēng)巷影響范圍更大,長(zhǎng)鉆孔總抽采純量為12.58m3/min,平均抽采濃度為12.32%,高抽巷抽采純量為10.35m3/min,抽采濃度6.23%,走向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯的濃度高且抽采純量大,說(shuō)明長(zhǎng)鉆孔抽采效果預(yù)計(jì)將優(yōu)于高抽巷。
根據(jù)前文數(shù)值模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)15103工作面頂板走向長(zhǎng)鉆孔布置見(jiàn)圖6。在回風(fēng)巷共布置3個(gè)鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)布置6個(gè)長(zhǎng)鉆孔,鉆孔垂直層位為25m,覆蓋距回風(fēng)巷15~45m的區(qū)域;參考類似地質(zhì)條件下的成功應(yīng)用實(shí)例[6],鉆孔間距為6 m;擴(kuò)孔后直徑300 mm,鉆孔長(zhǎng)度約為350m,抽采負(fù)壓為20 kPa。
圖6 走向長(zhǎng)鉆孔布置平面
1)15101工作面采用偽傾斜高抽巷回采期間,工作面抽采最大流量為36m3/min,最大瓦斯?jié)舛葹?.74%,最大瓦斯純量為5.78m3/min。15103工作面采用走向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采,工作面投入生產(chǎn)一段時(shí)間抽采效果穩(wěn)定后,考察結(jié)果表明,抽采最大流量為48m3/min,最大瓦斯?jié)舛葹?4.6%,最大瓦斯純量為7.9m3/min。采用走向長(zhǎng)鉆孔的抽采效率和效果明顯高于高抽巷。
2)15103工作面采用走向長(zhǎng)鉆孔與走向高抽巷相比,施工周期明顯縮短,施工相對(duì)安全,費(fèi)用低,耗材少,大大減少了施工偽傾斜高抽巷的人工、材料成本,總體來(lái)看,采用走向長(zhǎng)鉆孔優(yōu)于偽傾斜高抽巷方案。
根據(jù)興裕煤礦15103工作面具體的地質(zhì)條件,通過(guò)理論分析計(jì)算初步確定,頂板走向長(zhǎng)鉆孔合理垂直層位為15~40m,距15105回風(fēng)巷水平距離合理范圍為15~65m,采用Ansys數(shù)值軟件模擬分析確定長(zhǎng)鉆孔最佳垂直層位為25m,抽采負(fù)壓為20 kPa,距回風(fēng)巷最佳水平距離為15~45m,走向長(zhǎng)度鉆孔可代替高抽巷進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間,對(duì)比分析15103工作面和15101工作面瓦斯抽采效果,表明走向長(zhǎng)鉆孔在15103工作面取得良好的應(yīng)用效果。采用頂板走向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理的技術(shù)方案是切實(shí)可行的。