李常厚，王瑞超

（山西臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁 033100）

0 引言

隨著綜采相關(guān)技術(shù)裝備的不斷進(jìn)步，煤礦開(kāi)采的深度、推進(jìn)長(zhǎng)度、推進(jìn)速度不斷增加。在開(kāi)采的過(guò)程中工作面局部出現(xiàn)瓦斯超限，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。部分煤礦企業(yè)為了解決上述問(wèn)題，直接將解吸后的瓦斯排入大氣，不僅污染了生態(tài)環(huán)境，還造成了大量的資源損失。針對(duì)這一問(wèn)題，高抽巷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可以有效的實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯抽采。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)高抽巷技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究，朱紅青[1]等基于覆巖“O”形圈破壞形式，研究了高抽巷與頂板間距及內(nèi)錯(cuò)距對(duì)于瓦斯流場(chǎng)的抽采效果；范尚崇[2]等采用UDEC數(shù)值模擬軟件，分析了三帶發(fā)育的規(guī)律，從而確定高抽巷的布置范圍；王紅梅[3]等通過(guò)評(píng)估瓦斯含量、漏風(fēng)量、氧氣含量等參數(shù)，認(rèn)為抽放速率需要控制在合理區(qū)間；徐超[4]等建立了采空區(qū)非線性滲透模型，運(yùn)用至數(shù)值模擬軟件中，優(yōu)化了高抽巷的抽采負(fù)壓設(shè)計(jì)；倪廉欽[5]等在采空區(qū)瓦斯運(yùn)移理論的基礎(chǔ)上，提出交錯(cuò)式雙埋管瓦斯抽采技術(shù)，并在萬(wàn)峰煤礦取得了良好的應(yīng)用效果；李青松[6]等針對(duì)瓦斯抽采孔間距模糊、盲從等問(wèn)題，研究分析了相同布孔間距和不同布孔間距條件下受抽采疊加效應(yīng)影響煤層瓦斯壓力變化。上述研究對(duì)于高抽巷的工藝參數(shù)進(jìn)行了大量研究，但是針對(duì)復(fù)雜條件下的瓦斯抽放問(wèn)題，需要結(jié)合礦井工作面實(shí)際情況，具體問(wèn)題具體分析。

筆者所在的錦源煤礦，經(jīng)過(guò)鑒定屬于高瓦斯礦井，為了治理瓦斯超限的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一條高抽巷，進(jìn)行瓦斯抽采。本文以一采區(qū)101工作面為工程背景，采用fluent數(shù)值模擬軟件分析高抽巷的最佳層位，設(shè)計(jì)了低負(fù)壓抽采系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，本文的研究結(jié)果可為錦源煤礦后續(xù)開(kāi)采提供理論指導(dǎo)。

1 礦井概況

錦源煤礦將4號(hào)及5號(hào)煤層合并開(kāi)采，（4+5）煤層?xùn)|部較厚，其厚度約3.88～7.40 m，平均5.76 m，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。同時(shí)（4+5）煤層含1～2層夾矸，夾石單層厚度0.35～1.31 m之間。（4+5）煤層埋深340 m，采高5.5 m，其直接頂與基本頂分別為砂質(zhì)泥巖與中砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖與泥巖。根據(jù)晉煤瓦發(fā)[2014]1145號(hào)的批復(fù)顯示，錦源煤礦先期開(kāi)采地段內(nèi)，開(kāi)采5（4+5）號(hào)煤層期間礦井為高瓦斯礦井。在一采區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)瓦斯涌出量見(jiàn)表1。

表1 采區(qū)瓦斯涌出量

2 覆巖“三帶”分布特征計(jì)算

工作面開(kāi)采過(guò)程中，覆巖會(huì)隨煤層的推采不斷垮落、破斷，最終自地表從上往下會(huì)形成彎曲下沉帶、裂隙帶以及冒落帶[7]。同時(shí)，已有學(xué)者[8]在傳統(tǒng)“三帶”理論基礎(chǔ)上研究并得出了采動(dòng)裂隙中瓦斯運(yùn)移和卸壓的新“三帶”理論，即不易解吸帶、卸壓解吸帶和導(dǎo)氣裂隙帶，如圖1所示。上述有關(guān)瓦斯運(yùn)移的“三帶”能夠明確地劃分覆巖瓦斯卸壓、解析范圍，進(jìn)一步地為錦源煤礦瓦斯高位抽采巷層位選擇提供理論依據(jù)。

圖1 三帶示意圖

瓦斯高位抽采巷進(jìn)行層位選擇時(shí)，最好布置在導(dǎo)氣裂隙帶中，考慮到礦井安全生產(chǎn)需要，也應(yīng)盡可能地布置在垮落帶上方。采用KSPB軟件對(duì)導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行理論計(jì)算，首先對(duì)錦源煤礦101工作面地層綜合柱狀進(jìn)行整合，將各地層巖性導(dǎo)入軟件進(jìn)行判別分析，計(jì)算得出（4+5）號(hào)煤層與關(guān)鍵層的距離。根據(jù)關(guān)鍵層理論，當(dāng)關(guān)鍵層與（4+5）號(hào)煤層頂板間距大于7～10倍采高時(shí)，關(guān)鍵層及以下巖層將發(fā)生垮落破斷，并形成瓦斯導(dǎo)氣通道，此時(shí)可認(rèn)為導(dǎo)氣裂隙帶高度等于7～10倍采高。反之，當(dāng)關(guān)鍵層與（4+5）號(hào)煤層頂板間距小于7～10倍采高時(shí)，導(dǎo)氣裂隙帶向上發(fā)育，其高度大于7～10倍采高。根據(jù)KSPB軟件，結(jié)合地層巖性，確定主關(guān)鍵層層位為細(xì)砂巖，埋深250 m。同時(shí)根據(jù)（4+5）號(hào)煤層埋深，可以得出關(guān)鍵層與煤層間距為90 m，7～10倍采高約為38.5～55 m，小于關(guān)鍵層與煤層間距，由此得出導(dǎo)氣裂隙帶最大高度為55 m，此外，不易解吸帶與卸壓解吸帶高度分別為255 m與30 m。

3 高抽巷層位理論計(jì)算

高抽巷的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為降低工作面開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯?jié)舛?，從而確保礦井的安全高效生產(chǎn)，因此其層位選擇至關(guān)重要。在覆巖導(dǎo)氣裂隙帶中，由于裂隙發(fā)育程度的不同，高抽巷不同的空間層位會(huì)極大的影響工作面瓦斯抽采的效果。進(jìn)行101工作面高抽巷設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要通過(guò)理論計(jì)算，確定（4+5）號(hào)煤層垮落帶高度及頂板與抽采巷距離，確保高抽巷的層位在合理范圍內(nèi)。101工作面中，高抽巷與工作面的空間位置如圖2所示。

圖2 101高抽巷空間位置示意圖

3.1 垮落帶高度

若將高抽巷直接布置在垮落帶中，將導(dǎo)致以下2個(gè)突出問(wèn)題：一是工作面漏風(fēng)嚴(yán)重，從而導(dǎo)致工作面、回采巷道及上隅角瓦斯嚴(yán)重超限，影響工作面的安全生產(chǎn)；二是垮落帶內(nèi)采動(dòng)裂隙發(fā)育程度較高，后期圍巖控制工作難度較大，且隨工作面的推采，高抽巷抽采瓦斯的濃度亦會(huì)逐漸降低，因此首先需要確定具體的垮落帶的范圍?？迓鋷Ц叨雀鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)可知，其數(shù)值大小為3～5倍的工作面采高，可以通知理論計(jì)算公式（1）得到：

式中：Kz是覆巖碎脹系數(shù)；M為工作面采高，m；β為煤層傾向角度，°。

根據(jù)錦源煤礦101工作面的地質(zhì)條件可知，煤層采高為5.50 m，覆巖的碎脹系數(shù)經(jīng)試驗(yàn)室測(cè)定為1.3，煤層為緩傾斜煤層，傾角5°。將參數(shù)代入公式（1）中，可以得到垮落帶高度為18.5 m。

3.2 頂板與高抽巷的距離

根據(jù)理論推導(dǎo)，工作面頂板與高抽巷的垂直距離為，具體包括兩部分組成，一部分為垮落帶在傾向夾角平面內(nèi)的垂直距離，一部分是為了防止高抽巷破壞的富余高度，見(jiàn)公式（2）所示。

上莊鄉(xiāng)正在向全省乃至省外大力推廣本鄉(xiāng)的舍飼養(yǎng)羊技術(shù)，希望各地都能通過(guò)該模式解決羊規(guī)模化養(yǎng)殖帶來(lái)的生態(tài)平衡問(wèn)題，同時(shí)加速羊只的生長(zhǎng)速度，提高養(yǎng)殖戶的整體經(jīng)濟(jì)效益，為新野縣乃至河南省的畜牧產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

式中：h為垮落帶高度，m；Δh為防止高抽巷破壞的富余高度，m。

高抽巷一般布置在導(dǎo)氣裂隙帶的中上部，Δh取值35 m，h經(jīng)過(guò)計(jì)算得18.5 m，因此H為53.5 m。

3.3 回風(fēng)巷與高抽巷的水平距離

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛韧ǔ］^高，為了增加抽采的效果，高抽巷應(yīng)靠近回風(fēng)巷?；仫L(fēng)巷與高抽巷之間的水平距離包括兩部分，一部分是高抽巷與頂板的垂直距離H在夾角平面內(nèi)的水平投影，一部分是高抽巷距離覆巖斷裂軌跡的水平距離，具體見(jiàn)公式（3）所示。

式中：α為覆巖斷裂的角度，°；ΔS是高抽巷距離覆巖斷裂軌跡的水平距離，取值范圍為9～15 m。

將上述參數(shù)代入到公式（3）中，可以得到回風(fēng)巷與高抽巷之間的水平距離為48 m，符合煤礦安全規(guī)程中，高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離在工作面傾向長(zhǎng)度的三分之一以內(nèi)的相關(guān)規(guī)定。

4 高位瓦斯抽采巷層位數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型建立

通過(guò)理論計(jì)算已經(jīng)初步確定了瓦斯高位抽采巷的大致層位，本小節(jié)采用fluent數(shù)值模擬軟件模擬高抽巷不同層位時(shí)，瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布規(guī)律，以此對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。模型的長(zhǎng)、寬、高分別為400 m（走向長(zhǎng)度）、180 m（工作面長(zhǎng)）、55 m（導(dǎo)氣裂隙帶分布高度）。其中101運(yùn)輸巷為20 m×4.2 m×4.5 m，101回風(fēng)巷為20 m×4.2 m×4.5 m，101高抽巷為40 m×4.5 m×3.0 m，數(shù)值模型如圖3所示。

采用控制變量法，根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，分析當(dāng)頂板與高抽巷垂直距離一致時(shí)（距離為55 m），不同回風(fēng)巷與高抽巷的水平距離（43、48、55 m）下瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布規(guī)律，分析當(dāng)回風(fēng)巷與高抽巷的水平距離一致時(shí)（距離為48 m），不同頂板與高抽巷垂直距離（48、55、58 m）下瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布規(guī)律。模擬方案見(jiàn)表2。

圖3 數(shù)值模擬初始模型

表2 模擬方案

4.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖4依次是不同方案下瓦斯?jié)舛入S層位變化的空間分布云圖。分別提取方案一至方案三模擬結(jié)果中上隅角瓦斯數(shù)據(jù)、回風(fēng)巷瓦斯數(shù)據(jù)以及高抽巷內(nèi)的瓦斯數(shù)據(jù)，提取的數(shù)據(jù)如圖5所示。在方案一的參數(shù)條件下，上隅角、回風(fēng)巷及高位抽采巷瓦斯?jié)舛确謩e約為0.7%～0.8%、0.5%～0.9%以及23%～27%，分析其原因是高抽巷所在區(qū)域的裂隙發(fā)育程度過(guò)高，導(dǎo)致了整個(gè)抽采系統(tǒng)處于漏風(fēng)的狀態(tài)，從而回風(fēng)巷上隅角、回風(fēng)巷等區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高。

圖4 瓦斯?jié)舛仁軐游挥绊懙目臻g分布圖

圖5 瓦斯?jié)舛仁軐游挥绊懙那€圖

在方案三的參數(shù)條件下，如圖5所示，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扰c方案一相比略微上升，上隅角瓦斯?jié)舛认鄬?duì)不變，同時(shí)抽采巷內(nèi)瓦斯?jié)舛扔酗@著降低，其原因在于高抽巷布置在導(dǎo)氣裂隙帶上方，此位置采動(dòng)裂隙發(fā)育程度較低，無(wú)法形成瓦斯運(yùn)移的通道，難以為瓦斯抽采提供良好條件，同樣造成了上隅角、回風(fēng)巷等區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高。對(duì)比3個(gè)方案，確定采用方案二即高抽巷與煤層頂板的垂直距離為53 m的方案，其瓦斯監(jiān)測(cè)得到的濃度整體偏小，說(shuō)明方案適宜。

4.2.2 高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離確定

圖6依次是不同方案下，瓦斯?jié)舛仁芩骄嚯x影響的空間分布云圖。分別提取方案四～方案六模擬結(jié)果中上隅角瓦斯數(shù)據(jù)、回風(fēng)巷瓦斯數(shù)據(jù)以及高抽巷內(nèi)的瓦斯數(shù)據(jù)，提取的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 瓦斯?jié)舛仁芩骄嚯x影響的空間分布圖

圖7 瓦斯?jié)舛仁芩骄嚯x影響的曲線圖

如圖7所示，高抽巷距（4+5）煤層頂板距離不變的情況下，上隅角及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓尸F(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，高抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛入S水平距離的增加而緩慢增長(zhǎng)。各位置瓦斯?jié)舛仍诜桨杆囊约胺桨噶膮?shù)條件下，回風(fēng)巷上隅角、回風(fēng)巷等區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高，分別為0.76%、0.55%、0.8%、0.6%。在方案五的參數(shù)條件下，即高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離為48 m的方案，其瓦斯監(jiān)測(cè)得到的濃度整體偏小，說(shuō)明方案適宜。綜上對(duì)比瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，最終高抽巷布置在距離煤層頂板53 m，距回風(fēng)巷的水平距離48 m的層位中。

5 抽采系統(tǒng)及工程觀測(cè)結(jié)果

5.1 抽采系統(tǒng)

錦源煤礦地面瓦斯抽采泵站選擇在南訖垛村的南部，采用2套低負(fù)壓系統(tǒng)，2趟主管利用2個(gè)管道井聯(lián)通地面與井下。選擇的抽采管路系統(tǒng)為：

1）低負(fù)壓抽采系統(tǒng)I。高抽巷→采區(qū)A回風(fēng)上山→+101水平回風(fēng)大巷→地面鉆孔→地面管路→地面抽采泵站。

2）低負(fù)壓抽采系統(tǒng)II。高抽巷→采區(qū)B回風(fēng)上山→+101水平回風(fēng)大巷→地面鉆孔→地面管路→地面抽采泵站

采用2BEC-120型水環(huán)真空泵2臺(tái)，一用一備。主管選用無(wú)縫鋼管，支管選用螺旋焊縫鋼管，管徑為1 020 mm×10 mm。低負(fù)壓抽采一采區(qū)的上鄰近層、現(xiàn)采空區(qū)、老采空區(qū)瓦斯。

5.2 觀測(cè)結(jié)果

為了更加直觀的觀測(cè)出高抽巷低負(fù)壓系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)抽采效果，分別在高抽巷、上隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)布置瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器，其濃度隨推進(jìn)距離變化如圖8所示。開(kāi)采初期，工作面各位置瓦斯?jié)舛确€(wěn)定波動(dòng)，煤層推采至38 m時(shí)，基本頂發(fā)生初次破斷，采動(dòng)裂隙大幅發(fā)育，為瓦斯析出提供了良好的運(yùn)移通道，對(duì)應(yīng)地上隅角、回風(fēng)巷及抽采巷瓦斯?jié)舛蕊@著增長(zhǎng)，但均未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，能夠滿足工作面的安全生產(chǎn)。此后工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，采空區(qū)后方裂隙逐漸閉合，瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。

當(dāng)推采至70 m時(shí)，基本頂發(fā)生周期破斷，裂隙再次發(fā)育，瓦斯?jié)舛纫搽S之升高，此后逐漸趨于穩(wěn)定。綜上所述，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍?.40%～0.72%之間，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?.35%～0.76%，符合煤炭安全規(guī)程的規(guī)定，高抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛确秶?6%～35%之間，其抽采峰值濃度為67m3/min，且隨煤層推進(jìn)仍有增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的瓦斯高抽巷實(shí)現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，能夠保證礦井的安全高效生產(chǎn)。

圖8 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

1）采用KSPB軟件計(jì)算了覆巖瓦斯不易解吸帶、卸壓解吸帶和導(dǎo)氣裂隙帶的分布特征，其中不易解吸帶高度為255 m，卸壓解吸帶高度為30 m，導(dǎo)氣裂隙帶高度為55 m。

2）通過(guò)理論計(jì)算并得出了錦源煤礦（4+5）煤層的垮落帶高度18.5 m，高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離為48 m，高抽巷與煤層頂板的垂直距離為53.5 m，通過(guò)數(shù)值模擬軟件Fluent對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確定了最佳高抽巷層位。

3）設(shè)計(jì)了高抽巷低負(fù)壓抽采系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果表明高抽巷實(shí)現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，避免了工作面瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>