走向高抽巷参数优化的理论与模拟研究

刘佳佳， 王 丹， 李 鹏

(1．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083;2．黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022)

0 引 言

随着煤矿机械化程度的提高，开采强度和深度随之增加，使采煤工作面成为煤矿井下瓦斯问题最为突出的场所之一。瓦斯涌出主要有两个来源:一是采煤工作面煤壁及落煤的瓦斯涌出，二是采空区瓦斯涌出。采空区瓦斯涌出主要源于受采动影响的邻近层卸压瓦斯和开采层本身遗煤涌出的瓦斯［1］。随着采煤工作面的不断回采，采空区范围将逐渐增大。由于采空区与通风网络是连通的，采空区内的瓦斯会涌向工作面而使风流中的瓦斯浓度增大，并引起采煤工作面上隅角和回风巷内瓦斯超限，严重制约着煤矿的安全生产。目前，采空区瓦斯抽采方法众多［2］，有采空区埋管抽采，工作面尾巷抽采，开切眼引巷抽采，顶板走向钻孔抽采，走向或倾向高抽巷抽采等。

由于高抽巷抽采具有抽采时间长，抽采影响半径较大，抽放效果好，抽放量大等特点，因此，高抽巷在煤矿现场的应用越来越普及。在理论研究方面，高林［3］为解决回风巷和上隅角瓦斯超限的问题，对高抽巷与回风巷的内错距离进行了研究。王春桥［4］研究了高抽巷在不同平距和垂距参数条件下、进风巷不同风量(风速)和高抽巷不同抽采比参数条件下高抽巷的瓦斯抽采效果。肖峻峰等［5］采用非线性大变形程序数值模拟了采空区顶板覆岩应力分布及裂隙演化规律，确定了走向高抽巷应布置的具体参数。武磊［6］基于理论分析和数值模拟的结果，明确高抽巷最佳层位的合理范围，同时结合现场考察，提出相关的优化措施。王林［7］采用钻孔返水计量法，确定了顶板走向高抽巷的合理层位等相关参数。王刚等［8］采用走向高抽巷瓦斯抽采技术对其机理和抽采效果进行研究。

刘唐圣［9］运用Fluent 数值模拟结合张家庄矿现场监测实验，李一波等［10］采用理论分析与实践观测等方法，均得出走向高抽巷的具体位置参数。

林海飞等［11］为获取走向高抽巷抽采瓦斯的最佳位置，构建了走向髙抽采条件下的采空区瓦斯运移模型。李迎超等［12］通过FLUENT 软件模拟了不同空间布置参数条件下的高抽巷抽放效果，研究了高抽巷空间布置参数与高抽巷瓦斯抽放效果之间的关系。娄金福［13］以覆岩采动裂隙发育的“O”形圈理论为指导，研究高抽巷分别布置在顶板不同高度的层位上时，其与回风巷水平距离以及与切眼间距离之间的相互关系。

以往有关高抽巷抽采的研究多涉及高抽巷的参数确定等方面，少有将理论分析、数值模拟和现场验证有机结合起来进行较全面的分析研究。笔者以山西潞安集团某矿S2107 综放面为例，采用理论分析计算、数值模拟和现场实施验证相结合，在考察裂隙带发育区域范围分析的基础上，对高抽巷开展系统的研究。

1 裂隙带发育区域考察

1.1 S2107 综放面概况

S2107 综放面位于该矿西翼采区，S2107 综放面走向长度为1 082 m，倾向长度为210 m，煤层平均厚度6.31 m，容重为1.39 t/m3，回采率按93%，生产能力为6 000 t/d。现场实测最大瓦斯质量体积为12.16 m3/t，位于皮带顺槽20 m 处。

1.2 裂隙带发育高度的理论计算

根据矿压原理及采动卸压理论，煤层开采以后其上覆岩层在垂直方向的破坏和移动一般分为“三带”即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。以往的“三带”概念主要是从破坏形式上定义的，没有从机理上和量的角度考虑，这就给实际操作带来了困难。

准确掌握裂隙带发育高度对高抽巷的抽采效果影响至关重要，为了保证裂隙带瓦斯抽采效果，要确定S2107 综放面采空区上覆岩层裂隙发育区域范围，才能进一步确定高抽巷最佳空间层位。

裂隙发育带的确定可通过经验公式，冒落带理论高度Hm为

式中:h——采高，取6.31 m;

k——冒落岩石的平均碎胀系数，取1.25;

α——煤层平均倾角，取8°。裂隙带顶部理论高度Hi为

式中，a、b、c——待定常数，可按照煤矿设计规范确定，煤层上覆岩层以中硬岩层为主，查表a、b、c 分别为1.6、3.6、5.7。

高抽巷层位高度Hz应满足:

计算可得，冒落带理论高度为25.48 m，裂隙带顶部理论高度为40.37～51.77 m。因此，裂隙带理论范围为25.48～51.77 m。

1.3 裂隙带发育高度的数值模拟

模型的主要研究内容为煤层和顶板的变形破坏，用FLAC3D对计算模型进行不等分划分，对工作面和巷道区域采用精细单元划分，按照周围稀疏中部密集的原则，同时考虑到当工作面回采到一定距离时，上覆岩层裂隙带发育将趋于稳定，建立走向长度为500 m、倾向长度为300 m、高度为100 m 的物理计算模型。模型中部分煤岩层物理力学参数借鉴邻近常村矿资料，如表1 所示，所建模型如图1所示。

表1 S2107 综放面顶底板岩石物理力学参数Table 1 S2107 deformation-failure roof and floor rocks physical and mechanical parameters

图1 S2107 综放面数值模型Fig．1 S2107 deformation-failure of numerical model

煤层开挖后，上覆岩层自上而下分为五个区，分别为弹性区、塑性破坏区、拉张裂隙区、拉张破坏区和局部拉张区。其中，拉张破坏区分布在采空区上方拉应力区岩层内，其上部发育拉裂隙区;塑性变形区分布在支撑压力区和拉张裂隙区之上的下沉盆地中岩层内，其上岩层处于弹性区。将弹性区和塑性变形区定义为弯曲下沉带，将拉张裂隙区定义为裂隙带，将拉张破坏区及局部拉张区定义为冒落带。

利用FLAC3D软件模拟，得到在工作面不同推进距离时采空区顶板上覆岩层塑性区发育规律，按照上覆岩层的应力超过抗剪强度，发生剪切破坏的岩层高度考虑为裂隙带的上边界，将岩层双向拉应力都超过抗拉强度，发生大变形的岩层高度考虑为裂隙带下边界的原则，分析得出工作面不同推进距离l时裂隙带的发育高度，统计裂隙带高度的最大值可以得到顶板裂隙带顶部发育高度h 的变化曲线，如图2 所示。

对比数值模拟和理论计算得到的裂隙带发育高度可知，数值模拟得到的裂隙带发育高度处于理论计算裂隙带高度为40.37～51.77 m 的范围内，验证了数值模拟得到裂隙带高度变化曲线的可靠性。

图2 不同推进距离时顶板裂隙带发育高度分布Fig．2 Different forward distance roof fracture zone height distribution

从图2 中可以看出，当工作面推进到140 m 时，顶板裂隙带顶部发育至距3 号煤层顶板51.77 m，此后随着工作面周期来压的存在，顶板裂隙带的发育高度基本稳定在51.77 m 左右，可以认为该数值为顶板裂隙带的稳定发育高度。该数值和经验公式所得的40.37～51.77 m 范围基本一致。因而，通过理论计算与数值模拟得到高抽巷的最佳空间层位为25.48～40.37 m。考虑到高抽巷破坏的安全高度按1.5 倍的采高来取，可得高抽巷层位高度为34.06～40.37 m。

鉴于高抽巷通常在距轨道顺槽水平距离一定范围内沿顶板平行于回风巷布置，距回风巷太近，容易造成巷道漏气现象，距回风巷太远，高抽巷端头不在采空区瓦斯富集区，抽放效果均不好。走向高抽巷应布置在冒落带之上的“导气裂隙带”与O 形圈内。

为此，提取工作面推进140 m 时，距煤层顶板34.06、40.37 m 处岩层塑性区域分布云图，如图3所示。

图3 距煤层顶板不同位置岩层塑性区域分布云图Fig．3 Different from coal seam roof rock plastic area map of different position

从图3 中可以看出，采空区中部区域已经压实，曾经发生过塑性变形但已恢复为弹性区域，在采空区边界有典型的“O”形圈存在。根据模拟结果，导出数据计算分析可得“O”形圈的宽度在25～45 m之间，由图3 可见，可以将高抽巷布置在距回风巷平行距离25～45 m 范围之间，考虑冗余系数将高抽巷布置在距回风巷平行距离30～40 m的位置最合理。

2 综放面高抽巷实施效果

为了解决S2107 综放面瓦斯超限严重制约煤矿安全生产的问题，在前期S2107 综放面高抽巷最优参数的理论分析计算和数值模拟研究的基础上，最终确定S2107 综放面高抽巷的最优参数，即高抽巷的最佳层位高度为34.06～40.37 m，高抽巷的最佳平距为距回风巷平行距离30～40 m 的位置。经过现场可行性分析和论证，决定在该工作面布置走向高抽巷，具体布置方式如图4 所示。

图4 S2107 综放面顶板走向高抽巷布置Fig．4 S2107 deformation-failure roof toward high drainage layout diagram

S2107 综放面布置走向高抽巷后，高抽巷抽采效果良好，抽采瓦斯浓度稳定在15%左右。具体见图5，是10月份高抽巷抽采数据。

图5 S2107 综放面10月份高抽巷抽采数据Fig．5 S2107 deformation-failure data extraction from the high pumping in october

在S2107 综放面布置高抽巷后，工作面的上隅角和回风巷瓦斯浓度明显降低。分析原因是由于高抽巷对气流的导向作用使采空区深部高浓度瓦斯和工作面新鲜风流携带的瓦斯向高抽巷口汇集，所以改变了瓦斯浓度分布规律，上隅角瓦斯体积分数φ降到1%以下。S2107 综放面在实施高抽巷前后90 d 内上隅角瓦斯监控探头瓦斯浓度数据如图6 所示。

图6 S2107 综放面布置高抽巷前后上隅角瓦斯浓度对比Fig．6 S2107 deformation-failure arrangement of high alley pumping gas concentration in upper corner before and after contrast

3 结 论

(1)在理论分析计算和数值模拟研究的基础上，确定S2107 综放面高抽巷的最优参数，高抽巷的最佳层位高度为34.06～40.37 m，高抽巷的最佳平距为距回风巷平行距离30～40 m 的位置。

(2)在前期高抽巷最优参数的理论分析计算和数值模拟研究的基础上，结合现场可行性分析和论证，决定在S2107 综放面布置高抽巷，在S2107 综放面布置高抽巷后，工作面的上隅角和回风巷瓦斯浓度明显降低，验证了理论计算和数值模拟的正确性。

(3)实施高抽巷后，由于高抽巷对气流的导向作用，使采空区深部高浓度瓦斯和工作面新鲜风流携带的瓦斯向高抽巷口汇集，所以改变了瓦斯浓度分布规律，上隅角瓦斯体积分数降到1%以下，符合《煤矿安全规程》的规定，有效解决了高瓦斯工作面瓦斯超限和积聚的问题。

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