白雁楠 肖旭誠

（1.山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

余吾煤業(yè)3 號煤層有堅硬頂板，對其瓦斯治理已經(jīng)開展了很多工作，形成了較為完善的技術(shù)手段，正常開采期間治理效果較好。但對于厚煤層高強度開采工作面瓦斯治理成套技術(shù)方面還沒有針對性的研究。

劉澤功教授、戴廣龍教授、石必明教授等通過理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬的綜合方法指出了高抽巷可抽采大量采空區(qū)及鄰近層的卸壓瓦斯[1]。袁亮院士指出瓦斯主要積聚在頂板裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，用數(shù)值模擬，研究了高抽巷位置的理想?yún)^(qū)域[2-5]。因此首先研究工作面回采過程中上覆巖層裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律十分重要[6-7]。

本文以余吾回采工作面為研究模型，通過二維相似模擬試驗和數(shù)值模擬研究采動過程中的周期來壓規(guī)律、“三帶”的分布規(guī)律，同時用模擬軟件建立瓦斯流動模型，分析鉆孔周圍的瓦斯流動規(guī)律，確定高抽巷的位置。結(jié)合余吾煤業(yè)3 號煤層的瓦斯賦存規(guī)律確立余吾煤業(yè)3 號煤層瓦斯綜合治理技術(shù)，保證工作面回采時的安全生產(chǎn)。

1 相似模擬

1.1 礦井概況

余吾煤業(yè)主采3 號煤層，3 號煤層位于二疊系山西組下部，為上煤組，平均埋深為550 m，對應(yīng)的瓦斯壓力為0.49 MPa，瓦斯含量為10.68 m3/t。煤層厚度范圍是5.00～7.25 m，平均厚度為6.2 m。瓦斯含量預(yù)測值為10.68 m3/t，此時工作面相對的瓦斯涌出量是12.21 m3/t，對應(yīng)的絕對瓦斯涌出量是67.83 m3/min。

1.2 相似模擬試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

基于余吾煤業(yè)3 號煤層S2107 工作面特征，進(jìn)行相似模擬試驗。

參數(shù)：膠帶順槽長1 762.8 m，回風(fēng)順槽長為1 727.5 m，高抽巷長1 685.5 m，切眼長252.7 m；回采斜距1 338.5 m，回采平距1 337.8 m，切眼斜距252.7 m，切眼平距252.5 m，斜面積338 239 m2。

圖1 工作面煤層綜合柱狀圖

本試驗采用二維試驗臺，尺寸為長×寬×高=1800 mm×160 mm×1300 mm，采用平面應(yīng)力模型。設(shè)幾何相似，設(shè)容重比，要求模擬與實體所有各對應(yīng)點的運動情形相似。在模型的鋪設(shè)中每次鋪設(shè)厚度都不得大于20 mm，并且要確保鋪設(shè)的均勻平整，要在每層之間添加云母粉使其層理分明。合理有效的鋪設(shè)是相似模擬試驗的關(guān)鍵步驟。

1.3 試驗過程

由于試驗采用二維模擬試驗臺，推進(jìn)方向選擇平行于煤層，與采煤機割煤時的現(xiàn)象大體相同。試驗用高像素照相機拍攝原始基準(zhǔn)點的位置，按照大采高工作面的推進(jìn)要求進(jìn)行推進(jìn)。

1.4 相似模擬試驗結(jié)果

相似模型的結(jié)果顯示，S2107 工作面頂板的初次來壓為工作面推進(jìn)約14 m 時發(fā)生，周期來壓約在工作面每推進(jìn)12 m 時發(fā)生。采高為6 m 時，冒落帶的高度約為30 m，裂隙帶的高度約40 m，這為高抽巷的布置提供了理論依據(jù)。

2 順層鉆孔抽采數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)礦井煤層的實際情況，設(shè)計抽采鉆孔相關(guān)參數(shù)。3 號煤層厚度為6 m，長度設(shè)定為50 m，鉆孔半徑r。如圖2 所示。

圖2 鉆孔布點幾何模型

將煤層瓦斯基本參數(shù)賦值于模型，并賦予公式中需要的參數(shù)，如表1 所示。

表1 S2107 工作面參數(shù)設(shè)定表

2.2 順層鉆孔數(shù)值模擬試驗結(jié)果

使用模擬軟件分別得出單孔四周的瓦斯流動規(guī)律，圖3 為不同抽采時間下的鉆孔周圍的瓦斯壓力分布圖。

通過圖3（a）、圖4 模擬可以看出，當(dāng)抽采60 d 時，在抽采半徑2 m 范圍內(nèi)壓力幾乎沒有發(fā)生變化；抽采360 d 時，抽采半徑2 m 范圍內(nèi)壓力在0.35 MPa 以下，與之對應(yīng)的瓦斯含量為8 m3/t；抽采720 d 時，抽采半徑2 m 范圍內(nèi)壓力在0.28 MPa附近，煤層瓦斯含量也降到了6.5 m3/t 附近。由于煤層的殘余瓦斯含量為2.67 m3/t，故抽采效果已經(jīng)十分明顯。

圖4 單孔抽采不同時間周圍的瓦斯壓力分布圖

從圖3（b）看出，以這種方式布置鉆孔，在抽采60 d 時還不能很好地對抽采范圍內(nèi)煤層卸壓，當(dāng)抽采時間達(dá)到360 d 時，可以看出抽采范圍內(nèi)煤層大部分在卸壓范圍內(nèi)；當(dāng)抽采時間達(dá)到720 d 時，可以看出抽采范圍內(nèi)煤層全部卸壓，起到顯著的抽采效果。

圖3 鉆孔抽采周圍的瓦斯壓力分布圖

3 高抽巷的布置

3.1 裂隙帶位置確定

裂隙帶常用經(jīng)驗公式計算法[4]、數(shù)值模擬法、應(yīng)力計算法與現(xiàn)場實測法等來確定范圍。

根據(jù)經(jīng)驗公式[4]，將煤層厚按5.92 m 帶入可得：S2107 工作面冒落帶最大高度范圍為26.7 m，裂隙帶最大范圍為63.9 m，所以裂隙帶的范圍是26.7～63.9 m。

現(xiàn)場測定的最大高度為28.3 m 和61.5 m。

三種方法得出結(jié)果相差不大，故將裂隙帶的高度范圍定為29～62 m。

3.2 高抽巷位置的選擇

為了使結(jié)果更為精確，通過模擬數(shù)據(jù)來確定高抽巷的最佳水平位置，使高抽巷具有最好的抽采效果。在垂直距離一定，抽采負(fù)壓不變的情況下，模擬參數(shù)在距離回風(fēng)巷的長度分別取10 m、20 m、30 m。最后得出的模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 高抽巷與回風(fēng)巷不同平距時采場瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布

從圖5 看出，不同平距的高抽巷布置中，與回風(fēng)巷平距為20 m 時，瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)到26%到28%，并且抽采純量也最大，達(dá)到了42 m3/min。因此高抽巷與回風(fēng)巷平距為20 m 時，瓦斯抽采效果最好。

根據(jù)裂隙帶的高度范圍確定高抽巷豎直高度布置范圍是30～40 m。綜合考慮經(jīng)濟效益，在滿足抽采效果的條件下盡可能降低高抽巷布置的高度。

綜合可知，將高抽巷距煤層頂板的垂直距離設(shè)為30 m，距回風(fēng)順槽的平距為20 m。

4 現(xiàn)場試驗

S2107 回風(fēng)順槽與膠帶順槽布置工作面平行預(yù)抽鉆孔，設(shè)計孔深為150 m，開口位置距底板2 m，鉆孔間距為4 m。施工完成后，回風(fēng)順槽側(cè)布置有638 個鉆孔，鉆孔總長度為83 578 m，平均每個鉆孔深度為131.3 m，膠帶順槽和開眼處布置有769個鉆孔，鉆孔總長度為109 288 m，平均每個鉆孔深度為142.7 m。順層鉆孔在巷道煤壁上開孔，將水泥漿和聚氨酯混合使用作為封孔材料，封孔的長度應(yīng)該至少大于巷道塑性區(qū)的半徑。據(jù)煤巷周圍應(yīng)力分布的特點，順層鉆孔的封孔深度不小于10 m，以避開巷道周圍裂隙發(fā)育的塑性區(qū)。抽采管路的負(fù)壓為24 kPa。S2107 工作面順層鉆孔的布置如圖6。

圖6 工作面順層鉆孔布置圖

對工作面開展的瓦斯抽采試驗表明，瓦斯含量由原來10.68 m3/t，降到了6.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量由原來的67.83 m3/min 降到了24.49 m3/min，順層鉆孔起到了很好的現(xiàn)場治理瓦斯的作用；當(dāng)高抽巷開始全面有效地發(fā)揮作用，平均的瓦斯抽采量為13 m3/min，抽采量占了剩余絕對瓦斯涌出量的40%左右，工作面上隅角的瓦斯沒有出現(xiàn)超限現(xiàn)象；風(fēng)排瓦斯量的平均值為10.34 m3/min，回采時回風(fēng)流最高瓦斯?jié)舛取⒑罅餀C尾最高瓦斯?jié)舛?、上隅角最高瓦斯?jié)舛榷紱]有出現(xiàn)超限現(xiàn)象?；夭善陂g工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺３衷谳^低水平，平均瓦斯?jié)舛葹?.52%，一直在安全界限之內(nèi)。

5 結(jié)論

分析模擬結(jié)果，大采高開采，實際上工作面頂板初次來壓為工作面推進(jìn)約14 m 時發(fā)生，周期來壓約在每推進(jìn)12 m 時發(fā)生。從相似模擬試驗中我們可以看出，6 m 采高時冒落帶的高度約30 m，裂隙帶的高度約40 m，這為高抽巷的布置提供了理論依據(jù)。

通過對工作面的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測， 3 號煤層S2107 工作面相對的瓦斯涌出量是12.21 m3/t，與之對應(yīng)的絕對瓦斯涌出量是67.83 m3/min。

使用模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析單個鉆孔以及多個鉆孔周圍的瓦斯流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)布置鉆孔在抽采時間達(dá)到360 d 時，抽采范圍內(nèi)煤層壓力大部分在0.32 MPa以下，對應(yīng)的煤層瓦斯含量為7.5 m3/t；但當(dāng)抽采時間達(dá)到720 d 時，明顯可以看出抽采范圍內(nèi)煤層壓力在0.25 MPa 附近，煤層瓦斯含量也降到了6 m3/t 附近，能有效地降低工作面回采時的絕對瓦斯涌出量。

利用經(jīng)驗公式、現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬三種方法，確定高抽巷的布置位置，即高抽巷距煤層頂板的垂直距離為30 m，距回風(fēng)順槽的平距為20 m。

根據(jù)順層鉆孔瓦斯抽采效果分析，抽采720 d時瓦斯抽采率達(dá)到了47.91%，煤層瓦斯含量由原來10.68 m3/t 降到了6.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量由原來的67.83 m3/min 降到了24.49 m3/min，顯著降低工作面的煤層瓦斯含量和回采時的絕對瓦斯涌出量。高抽巷平均瓦斯抽采量為13 m3/min，并與采空區(qū)長立管瓦斯抽采相結(jié)合，使工作面上隅角的瓦斯沒有出現(xiàn)超限現(xiàn)象。