新集二矿210108工作面高抽巷合理层位确定

周瑞鹤,吴德义

安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥，230601



新集二矿210108工作面高抽巷合理层位确定

周瑞鹤,吴德义

安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥，230601

摘要：结合新集二矿巨厚砂岩“三带”分布范围，利用FLUENT对新集二矿210108工作面距采空区顶板不同高度及回风巷不同水平距离处高抽巷出口风量、瓦斯浓度和瓦斯流量进行了数值模拟研究，并与理论值进行了对比。结果表明：该工作面顶板高抽巷应布置在回风巷一侧，距回风巷水平距离(20.0～30.0)，高程差(32.0～43.0)。合理布置高抽巷的位置可有效减少采空区瓦斯超限的问题，保证开采的安全。

关键词：“三带”；回风巷；数值模拟；高抽巷；FLUENT

随着矿井开采机械化水平的提高，工作面推进速度加快，开采中瓦斯的涌出量也越来越大。采空区瓦斯涌向工作面，易造成回风巷瓦斯超限，存在重大安全隐患。高抽巷可有效抽采采空区的瓦斯，降低采空区瓦斯含量和密度，故合理布置高抽巷的位置可有效解决煤层开采中瓦斯超限的问题[1-5]。程攀采用FLUENT对一缘煤矿150109工作面不同位置走向高抽巷抽放瓦斯效果进行数值模拟，确定出高抽巷最佳抽布置层位，与工程实际吻合度较高[6]。刘冠学等运用“O”型圈理论，成功解决了31513工作面瓦斯超限问题[7]。本文利用FLUENT模拟了瓦斯分布不同位置时高抽巷的布置，确定高抽巷的合理层位，对工程实际有一定的指导意义。

1210108工作面概况

新集二矿1煤210108试采工作面标高-643.1～-591.4 m(地面标高+17.9～+24.3 m)，回采1上煤和1煤，可采煤层范围赋存较为稳定，总体呈单一构造形态，1上煤厚度在0～6.0 m之间，平均煤厚4.2 m；1煤厚度在0.1～5.9 m之间，平均煤厚3.4 m；工作面采1上煤时，平均采高4.2 m，工作面采1煤时，平均采高为3.4 m。煤层开采预计瓦斯绝对涌出量为29.31 m3/min, 煤层具有爆炸和自燃的危险,无突出危险。210108工作面试采期间预计瓦斯涌出量可达29.31 m3/min，超过5.0 m3/min，为高瓦斯工作面。

2高抽巷合理层位确定

2.1顶板高抽巷层位大致范围确定

顶板高抽巷位置初步确定示意图如图1所示。依据现场实测及数值模拟，得出210108工作面巨厚砂岩顶板冒落带高度Hm=23.0 m，裂隙带高度Hl=84.0 m,工作面采高M=4.2 m。根据高抽巷位置确定公式[8]，顶板高抽巷距顶板垂直距离应满足：31.0 m≤H≤84.0m。

取煤层倾角α=6°，顶板岩石卸压角β=54°，采煤面倾向长度X=150.0 m。顶板高抽巷距回风巷水平距离s应满足：18.0 m≤s≤50.0 m。

根据以上分析,仅能大致确定高抽巷垂直层位和水平层位的大致范围，为更加准确地确定高抽巷层位，应根据工程实际建立数值计算模型，采用数值模拟方法。

图1　顶板高抽巷位置初步确定示意图

2.2合理层位确定的数值模拟2.2.1数值计算模型

数值计算模型如图2。根据210108工作面具体工程实际，取回风巷和进风巷尺寸为：长×宽×高=40.0×4.0×4.2(m)，工作面尺寸为：长×宽×高=150.0×5.0×4.2(m)，高抽巷尺寸为长×宽×高=500.0×3.0×3.0(m)。采空区顶部范围为：长×宽×高=500.0×150.0×110.0(m)，其中距采空区顶板0～23.0 m为冒落带，23.0～84.0 m为裂隙带，84.0～110.0 m为弯曲下沉带。模型中，X轴由采煤面走向指向采空区，Y轴沿采煤面倾向指向回风侧，Z轴沿采煤面垂直方向指向采空区顶板。210108工作面试采期间，预计瓦斯涌出量约29.31 m3/min，考虑由采空区涌出的瓦斯量为12.0 m3/min。选择采空区为多孔介质，据冒落带和裂隙带不同区域采动裂隙分布以及压实程度、弯曲下沉带裂隙分布，取不同区域空隙率为0.09～0.35,瓦斯涌出量为(8.0e-8-8.0e-10)kg/(m3·s)，粘性阻力系数为(1e-5-1e-6)kg/(m·s)。设置进风巷入口为进口流量边界条件，进口空气流量为252 m3/min，组分为氧气23%、氮气77%；回风巷取自由流出口；高抽巷出口取负压抽出式边界条件，负压大小取13.0 KPa。

图2 数值计算模型与网格划分

数值模拟高抽巷距回风巷水平距离30.0 m，距采空区顶板垂直距离分别为15.0、30.0、40.0、60.0 m时的高抽巷出口流量和瓦斯浓度；距采空区顶板垂直距离30.0 m，距回风巷水平距离分别为25.0、30.0、40.0 m时的高抽巷出口流量和瓦斯浓度。

2.2.2数值模拟结果及分析

Fluent模拟结果显示，距采空区顶板垂直距离分别为15.0、30.0、40.0、60.0 m时，高抽巷出口的瓦斯浓度如图3(a)～(d)。

图3　不同垂直位置高抽巷出口瓦斯浓度分布

依据数值模拟的结果，距采空区顶板不同高度

表1　距采空区顶板不同高度

高抽巷出口风量、瓦斯浓度和瓦斯流量如表1。

计算结果表明，高抽巷距采空区顶板15.0 m时，布置在冒落带中，尽管出口风量较大(约1.10 kg/s)，由于瓦斯浓度较低(约10.0%)，出口瓦斯流量仅11.0 kg/s；高抽巷距采空区顶板60.0 m时，布置在裂隙不明显的裂隙带中，尽管瓦斯浓度较大(约22.0%)，由于出口风量较低(约0.55 kg/s)，出口瓦斯流量也仅12.1 kg/s。高抽巷距采空区顶板30.0～40.0 m左右时，不仅出口风量较大，瓦斯浓度也较大，高抽巷抽出瓦斯流量最大，约为14.4～16.2 kg/s。垂直方向高抽巷距采空区顶板合理高度应为30.0～40.0 m左右。

距采空区顶板30.0 m，距回风巷水平距离分别为20.0、40.0 m时，高抽巷出口瓦斯浓度如图4(a)～(b)。距采空区顶板30.0 m、距回风巷水平距离为30.0 m时，高抽巷出口瓦斯浓度如图3(b)。

图4　距回风巷不同水平距离高抽巷出口瓦斯浓度分布

依据数值模拟的结果，距回风巷不同水平距离高抽巷出口风量、瓦斯浓度和瓦斯流量如表2。

表2　距回风巷不同水平距离

根据分析结果可知，距回风巷水平距离为20.0～30.0 m时，瓦斯抽放效果较好，瓦斯流量约0.144～0.150 kg/s。

3高抽巷合理位置选择

为工程施工方便，以工作面回风巷为基准，确定高抽巷合理垂直位置和水平位置。

(1)高抽巷和回风巷水平距离：根据以上分析结果，取高抽巷与回风巷水平距离为20.0～30.0 m。

(2) 高抽巷和回风巷高程差：如图1，高抽巷与回风巷的高程差h回可按下式计算：

h回=H+s×tgα

取H=30.0～40.0 m，s=20.0～30.0 m，可得：h回=32.0～43.0 m。

4结 论

(1)由以上分析可知，高抽巷出口处瓦斯流量取决于瓦斯浓度、出口风量，其中出口风量的影响最为显著。高抽巷距采空区顶板30.0～40.0 m左右时，不仅出口风量较大，瓦斯浓度也较大，高抽巷抽出瓦斯流量最大，约为14.4～16.2 kg/s；距回风巷水平距离为20.0～30.0 m时，瓦斯抽放效果较好，瓦斯流量约0.144～0.150 kg/s。

(2)根据新集二矿210108工作面1煤巨厚砂岩顶板“三带”高度，利用FLUENT数值模拟工程实际高抽巷合理层位，并结合理论计算公式，得出该工作面顶板高抽巷应布置在回风巷一侧，距回风巷水平距离20.0～30.0 m，高程差32.0～43.0 m。

参考文献：

[1]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报,2009(1):1-8

[2]胡千庭.煤矿瓦斯抽采与瓦斯灾害防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007:31-56

[3]秦帅.高瓦斯综放面走向高抽巷布置与抽采技术研究[D].徐州：中国矿业大学矿业学院,2014:1-5

[4]袁亮，刘泽功．淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术研究[J].煤炭学报,2003(2)：149-152

[5]马其祥，徐廷奎，肖大鹏.大湾煤矿高抽巷最佳层位选择[J]．矿业安全与环保，2004，31(3)：21-22

[6]程攀. 走向高抽巷合理层位确定的数值模拟[J].煤炭技术,2014(3):9-11

[7]刘冠学,唐永志,许培德，等. 谢二矿高抽巷布置及使用效果分析[J]. 矿业安全与环保,2000(4):3-5

[8]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采,2011,16(2)：4-7

(责任编辑：汪材印)

中图分类号：TD263

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2016)02-0121-03

作者简介：周瑞鹤(1994-)，女，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向：地下结构理论计算与应用。

基金项目：国家自然科学基金“深部煤岩稳定性量化判别研究”(51374009)。

收稿日期：2015-12-08

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.02.034