付向東

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司,山西 陽泉 045000)

1 工程概況

山西圣天寶地清城煤礦有限公司所處位置地形溝谷縱橫,蓋山厚度平均為256～385 m.15107工作面北部以山西某煤礦為界, 西部為已采的15109工作面,東部為設(shè)計的15105工作面,南部為15號煤采區(qū)巷道。煤層普氏系數(shù)為2.0,級別為Ⅵ級。該礦2012年度礦井絕對瓦斯涌出量為63.85 m3/min,相對瓦斯涌出量為26.7 m3/min,鑒定為高瓦斯礦井。15107工作面進風巷、回風巷、切巷均布置在15號煤下分層中,低位抽采巷沿15號煤層頂板平行于回風巷布置,高抽巷沿11號煤頂板布置。15號煤層直接頂為深灰色石灰?guī)rK2,平均厚度為2.6 m,基本頂為泥巖、深灰色石灰?guī)r組合巖層,平均厚度為7.8 m.15107綜放工作面采用一進一回U型通風系統(tǒng),運輸巷作為進風巷,回風巷作為回風巷,預(yù)計絕對瓦斯涌出量52.5 m3/min.低位抽采巷敷設(shè)單趟D800 mm瓦斯抽放路管解決工作面回風、上隅角瓦斯;高位抽采巷距15號煤層間距平均62 m,敷設(shè)單趟D529 mm瓦斯抽放管解決工作面采空區(qū)和鄰近層瓦斯。為解決上隅角瓦斯超限問題,對低位抽放巷合理層位展開研究。

2 低位抽放巷布置層位分析

頂板壓力變化產(chǎn)生的裂隙、縫隙為瓦斯運移提供通道,對于“U”型通風,煤巖體內(nèi)解吸的瓦斯沿工作面傾向移動,在上隅角匯集,引起工作面回風及上隅角瓦斯體積分數(shù)超標。低位抽采巷方向與回風巷平行,隨著采空區(qū)頂板的垮落而垮落,使其與采空區(qū)一直具有足夠的貫通面積,抽采負壓作用下將采空區(qū)高濃度瓦斯由低抽巷排出,減小采空區(qū)瓦斯向工作面上隅角及回風流的涌出量。采空區(qū)覆巖可分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,其中垮落帶裂隙發(fā)育、貫通最好,為瓦斯流動提供諸多通道,將底抽巷布置在該層位最合適。放頂煤開采條件下,垮落帶計算公式為[1]:

(1)

式中:M為垮落帶高度,m;h為煤層厚度,15107工作面為6.85～7.30 m,均厚7.24 m;h1為采空區(qū)遺煤所充填的厚度,h1=h(1-c)km,c為采出率,放頂煤采出率取95%;km為煤層碎脹系數(shù),取1.15;kp為巖層碎脹系數(shù),取1.25.煤層均厚7.24 m時,15107工作面垮落帶高度為27.3 m.

低抽巷在平面上布置在靠近回風巷一側(cè),與回風巷水平距離為L,根據(jù)工作面傾角及覆巖垮落角的三角關(guān)系可進行低抽巷合理水平位置的分析,如圖1所示。

圖1 垮落帶邊界計算示意

低抽巷最大布置高度h1與水平距離L的關(guān)系為[2]:

h1=L[tan(β-α)+tanα];

式中:α為煤層傾角,取8°;β為采空區(qū)覆巖垮落角,取65°;h為垮落巖層高度,為垮落帶高度減去煤層厚度,取20.06 m.通過上式可求得,當0

3 低位抽放巷合理層位模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立

結(jié)合清城煤礦15107綜放工作面現(xiàn)場實際情況,應(yīng)用FLUENT 軟件建立物理模型,如圖2所示[3-4]。采用標準的“U”型通風方式,模型由采空區(qū)和進風巷、回風巷及回采面組成,采空區(qū)長、寬、高分別為200 m、100 m、40 m,回采面、進風巷及回風巷的寬、高相同,分別為5 m、3 m,兩側(cè)巷道長度為25 m,低位抽放巷長、寬、高分別為20 m、4.5 m、3 m,巷道及回采面空間設(shè)置為自由流動空間,應(yīng)用湍流模型中的k-epsilon進行計算,采空區(qū)空間設(shè)置為多孔介質(zhì)空間,采空區(qū)瓦斯總源項為 1.35×10-5kg/(m3·s),進風巷作為風流入口,回風巷風流為出口,其他邊界設(shè)為墻體,進風口風流流量為800 m3/min.

圖2 采空區(qū)幾何模型示意

3.2 模擬結(jié)果

首先進行無低位抽放巷條件下的模擬分析,得到采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)分布立體示意圖,如圖3所示。豎直方向而言,采空區(qū)底部(A點)瓦斯體積分數(shù)較低,為0%～5%;隨著高度的增大,瓦斯體積分數(shù)逐漸升高,在采空區(qū)頂部(B點)瓦斯體積分數(shù)達到45%～54%,表明瓦斯通過采空區(qū)裂隙向上運移,符合瓦斯運移規(guī)律。沿水平方向而言,進風巷一側(cè)瓦斯體積分數(shù)低于回風巷一側(cè)瓦斯體積分數(shù),采空區(qū)淺部瓦斯體積分數(shù)小于采空區(qū)深部瓦斯體積分數(shù),這是由于工作面向采空區(qū)內(nèi)漏風所致,與實際情況相符。綜上,表明所建模型可靠。在無低抽巷條件下,工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)達到5%,達到瓦斯嚴重超限濃度,表明了采用低抽巷的必要性。

圖3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖

3.3 低位抽采巷合理位置分析

參照理論分析計算得到的低抽巷合理位置,設(shè)計低抽巷與煤層頂部垂距分別為5 m、7 m、9 m,距回風巷距離為1～7 m、9 m、20 m、30 m,共進行30次加入低抽巷的模擬計算,在工作面上隅角設(shè)置監(jiān)測點監(jiān)測其瓦斯體積分數(shù),測點距頂板、巷道側(cè)壁各200 mm,在低抽巷端頭處設(shè)置瓦斯流量監(jiān)測斷面,由此得到各方案條件下上隅角瓦斯體積分數(shù)及低抽巷純瓦斯流量,如圖4所示。

圖4 低位抽采巷不同位置條件下瓦斯體積分數(shù)模擬結(jié)果

由圖4(a)分析可知,加入低位抽采巷后,上隅角瓦斯體積分數(shù)最大為0.65%,對于上隅角瓦斯治理效果非常明顯。在垂距一定情況下,上隅角瓦斯體積分數(shù)隨著內(nèi)錯距離增大的變化趨勢為先降低后升高,內(nèi)錯距離為4～7 m時,上隅角瓦斯體積分數(shù)最低;在內(nèi)錯距離不變的情況下,隨著垂距的增大,上隅角瓦斯體積分數(shù)逐漸增大,主要由于垂距過高時無法對低層位瓦斯涌入工作面起到攔截作用,因此垂距不易過大;由圖4(b)分析可知,低抽巷內(nèi)純瓦斯流量隨著內(nèi)錯距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,內(nèi)錯距離為6～7 m時達到峰值,隨著垂距的增大,瓦斯純流量逐漸增大,瓦斯升浮效應(yīng)作用導(dǎo)致層位越高抽采瓦斯純量越大。綜合考慮上隅角瓦斯?jié)舛戎卫砗统椴赏咚辜兞?確定低抽巷合理層位為距煤層頂板7 m,內(nèi)錯回風巷6 m.

4 巷道礦壓觀測結(jié)果及分析

結(jié)合前面研究結(jié)果,設(shè)計清城煤礦15107綜放工作面低抽巷沿泥巖基本頂掘進施工,與煤層頂面垂距為7.1 m、內(nèi)錯回風巷6.0 m布置。掘進施工完成后,在距巷道開口10 m處施工密閉墻,低抽巷開口與密閉墻之間存在10 m盲巷。工作面回采早期的30 d,對上隅角瓦斯體積分數(shù)及低抽巷抽采瓦斯純量進行監(jiān)測,結(jié)果如圖5所示。

圖5 低位抽采巷抽采效果現(xiàn)場實測結(jié)果

可以看出,早期抽采效果不佳,主要是由于回采初期,采空區(qū)覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育較差,采空區(qū)瓦斯上浮運動較少,且一部分逸散至工作面,導(dǎo)致上隅角瓦斯體積分數(shù)較高且抽采純量較小;在工作面回采10 d后,采空區(qū)頂板內(nèi)大裂隙逐漸產(chǎn)生,抽采純量逐漸增大,在進入正常抽采階段后,抽采瓦斯純量均值達到34.7 m3/min,上隅角瓦斯體積分數(shù)穩(wěn)定在0.42%～0.49%,抽采效果良好,解決了上隅角瓦斯體積分數(shù)超限問題。

5 結(jié) 語

結(jié)合清城煤礦15107綜放工作面頂板巖層巖性及厚度等具體情況,應(yīng)用Fluent 軟件模擬研究,確定低抽巷與煤層頂面垂距為7 m、內(nèi)錯回風巷距離為6～7 m.實踐表明:工作面回采期間正常抽采階段,上隅角瓦斯體積分數(shù)穩(wěn)定在0.42%～0.49%,低抽巷抽采瓦斯純量達34.7 m3/min,取得了明顯的瓦斯治理效果,解決了上隅角瓦斯超限問題,可為相似工作面的瓦斯治理提供借鑒。