雷龍龍

（霍州煤電集團(tuán)騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

在礦井開采過程中，瓦斯問題一直制約著我國煤礦正常開采，而對于厚煤層高瓦斯巷道來說瓦斯超限問題尤為突出，其治理難度也十分復(fù)雜，近些年來由于我國開采年限的不斷增加，開采的重點逐步向著大縱深方向發(fā)展，使得瓦斯含量及瓦斯的壓力不斷加大，所以對厚煤層瓦斯進(jìn)行抽排對于礦井安全開采十分重要，此前，劉志偉、張帥[1]利用分源預(yù)測法對瓦斯來源進(jìn)行預(yù)測，通過FLEUNT軟件對瓦斯的分布及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，提出利用專用巷道密閉大流量的治理方法，有效地消除了放煤后溜通道的瓦斯超限問題。岳乾、李希建、陳守坤[2]針對高瓦斯煤巷掘進(jìn)過程中的瓦斯超限難題，采取了“雙掛耳”式鉆場，并對巷道鉆孔進(jìn)行邊鉆邊采，有效提高了瓦斯的抽采效率，實現(xiàn)了巷道高效掘進(jìn)。本文以騰暉礦2202工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬對低抽巷抽采效果進(jìn)行研究分析，并給出最佳布置方案，為厚煤層礦井瓦斯抽采提供依據(jù)。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

騰暉礦位于山西鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村，設(shè)計年生產(chǎn)能力120×104t。井田結(jié)構(gòu)相對簡單，主要構(gòu)造形式為單斜延伸構(gòu)造，井田的地層的坡度均值在5°左右，2202工作面現(xiàn)主要開采2#煤層，煤層厚度3.2～6.0m，煤層的平均厚度為5.6m。

2202工作面所開采的太原組2#煤層屬于單一低滲透性煤層，煤層具有瓦斯吸附性強、衰退快、抽放難的特點，其中2202工作面煤層瓦斯含量約為11m3/t，巷道瓦斯壓力0～9MPa，在巷道進(jìn)行開挖前需要將巷道內(nèi)瓦斯含量降低至8m3/t，2202工作面的右側(cè)為N2202采空區(qū)，左側(cè)為北風(fēng)井東翼回風(fēng)巷，工作面的頂板由泥巖和粉砂巖組成，目前瓦斯?jié)舛劝凑掌浞植记闆r可分為涌出帶、過渡帶及滯留帶，其中涌出帶位移工作面切眼20m范圍內(nèi)，此時的瓦斯?jié)舛却笾聻?0%以下，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯運動速度較快，且多為層流；過渡帶載開切眼20～50m的范圍內(nèi)，此時瓦斯?jié)舛却笾路植荚?0%～20%，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯多呈紊亂交錯狀態(tài)；滯留帶為距離開切眼50m以上，此時的瓦斯?jié)舛确植荚?0%～30%之間，在此階段內(nèi)瓦斯流動速度較低[3]。

底抽巷瓦斯抽采的原理是在底抽巷內(nèi)部施工穿層鉆孔，將鉆孔打入煤層內(nèi)部，對煤體進(jìn)行卸壓，此時由于鉆孔的存在使得鉆孔周邊的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，鉆孔使得煤巖內(nèi)部原生裂縫及人工裂縫增多，瓦斯通過裂縫沿著鉆孔進(jìn)行排除，以此達(dá)到瓦斯抽采消突的目的[4]。底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖如圖1所示。

圖1 底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖

在進(jìn)行底抽巷位置選定時，較多的因素對其有所影響，因此本文對不同垂距及不同巖性下底抽巷抽采方案進(jìn)行對比分析，方案1垂距12m，布置于粉砂巖中；方案2垂距15m，布置于粉砂巖中，方案3垂距20m，布置于粉砂巖中，對三種方案進(jìn)行分析，首先進(jìn)行模型的建立，結(jié)合2202工作面的實際情況，建立長方體模型，模型的長寬高分別為100m×100m×20m，完成模型建立后根據(jù)實際地質(zhì)情況對模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分后共有88520個單元格，完成劃分后對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，固定模型四周的位移，同時對模型上端部施加覆巖自重13MPa，模型選用摩爾庫倫模型為本構(gòu)模型，完成模型設(shè)定后對模型進(jìn)行模擬計算，應(yīng)力模擬云圖如圖2所示。

圖2 不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖

從圖2可以看出，在回采及地應(yīng)力的作用下，底抽巷的兩幫位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，且隨著垂距H的增加，巷道圍巖的垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)增大的趨勢，當(dāng)垂距H為12m時，此時的垂直應(yīng)力最大值為20.48MPa；當(dāng)垂距H為15m時，此時的巷道垂直應(yīng)力最大值為22.11MPa，此時較垂距12m應(yīng)力值降低了1.63MPa；當(dāng)垂距H為20m時，此時的巷道垂直應(yīng)力最大值為26.27MPa，此時較垂距15m應(yīng)力值降低了5.79MPa。同時隨著垂距的增大，巷道兩幫的應(yīng)力集中范圍有一定的減小，所以底抽巷距離煤層距離越近，受到掘進(jìn)的影響越大。根據(jù)對比分析最終選定底抽巷的布置位置為垂距12m，布置于粉砂巖之中，此時的巷道施工成本最低且巷道的圍壓應(yīng)力良好，有利于煤層瓦斯的抽排[5-6]。對底抽巷鉆孔影響直徑進(jìn)行分析，選定抽采負(fù)壓為15kPa，抽采的直徑分別為94mm，抽采天數(shù)分別選擇30d、60d、90d、120d、150d，抽采有效半徑隨瓦斯抽采時間變化曲線見圖3（a），在一定抽采天數(shù)下不同負(fù)壓抽采有效半徑變化曲線如圖3（b）所示。

從圖3可以看出，當(dāng)鉆孔直徑和抽采負(fù)壓一定時，此時隨著抽采時間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)抽采時間為30d時，此時的鉆孔有效抽采半徑為0.97m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至60d時，此時鉆孔有效抽采半徑為1.23m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至150d時，此時的巷道抽采有效半徑為4m。同時對比不同抽采負(fù)壓下的鉆孔抽采有效半徑發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)壓的增大，抽采有效半徑幾乎類似于平行直線，所以負(fù)壓對鉆孔抽采有效半徑的影響較小，所以在進(jìn)行現(xiàn)場實踐時可以充分利用模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計[7-8]。

2 現(xiàn)場實踐研究

根據(jù)模擬研究進(jìn)行現(xiàn)場實踐，選定2202工作面的回風(fēng)順槽進(jìn)行驗證研究，底抽巷布置按照模擬選定的方案進(jìn)行設(shè)置，在底抽巷進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑選定為94mm，抽采的負(fù)壓選定為15kPa，分別設(shè)定11個鉆孔，在第5至11個鉆孔進(jìn)行水力沖孔，完成沖孔后進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采曲線如圖4所示。

圖4 瓦斯抽采曲線

從圖4可以看出，經(jīng)過水力沖孔后瓦斯抽采的濃度及瓦斯純量均有了明顯的增加，在前四個鉆孔抽采的濃度均值為44.8%，抽采的純流均值為0.18m3/min，而經(jīng)過沖孔后瓦斯抽采的濃度均值為75%以上，瓦斯抽采的純流均值為0.33m3/min，可以看出經(jīng)過沖孔后鉆孔瓦斯抽采濃度較未經(jīng)水力沖孔提升了30%，而抽采純量同樣提升了15m3/min，所以底抽巷水力沖孔效果明顯，抽采效果極佳[9-10]。

3 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬對不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，確定了當(dāng)垂距H為12m時，底抽巷布置于粉砂巖中時，此時的垂直應(yīng)力最大值最小，此時的垂直應(yīng)力最大值為20.48MPa。

（2）利用數(shù)值模擬軟件對抽采參數(shù)對有效抽采半徑的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著抽采時間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，而隨著抽采負(fù)壓的增大鉆孔抽采有效半徑幾乎不變。

（3）利用模擬計算結(jié)果對騰暉礦2202工作面進(jìn)行底抽巷布置，并對鉆孔沖孔前后瓦斯抽采曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，底抽巷鉆孔經(jīng)過水力沖孔后抽采效率有了明顯的提升，抽采效果極佳。