某矿采动裂隙“O”型圈中瓦斯运移规律分析及抽放设计

赵文利

(大同煤炭职业技术学院)

对煤矿采动裂隙“O”形圈内的瓦斯运移规律进行分析，对于提高矿井瓦斯抽放效率，确保井下安全生产具有重要作用[1-3]。本研究结合Fluent数值模拟分析方法，对某矿2315工作面采动裂隙“O”型圈内的瓦斯运移规律研究，并对瓦斯抽放钻孔参数进行合理设计。

1 工作面概况

2315采煤工作面位于南三采区，属首采工作面，采面回风巷走向长为865 m，运输巷走向长为742 m，采面倾向长为168 m，采面可采走向长为576 m，煤层倾角平均为11°，平均采高2.8 m。该采面所开采的煤层为10#煤层，上区段10#煤层(2313采面)和上区段下伏12#煤层(2313采面)已回采，下区段上覆6#煤层(2317采面)作为保护层已开采，2315运输巷处于卸压区域，2315回风巷为沿空掘巷。该工作面布置了2315顶抽巷，针对2315工作面还布置了高位钻场(图1)。采煤工作面形成之前，测出2315工作面的煤炭储量为23.38万t。该工作面开采10#煤层，煤层原始瓦斯含量为14.07 m3/t，该区域总的瓦斯含量为328.96万m3，瓦斯压力(绝对瓦斯压力)为1.2～2.1 MPa。在采煤工作面推进过程中，在进行本煤层钻孔抽放瓦斯时曾发生多次喷孔现象，在进行穿层钻孔预抽瓦斯时，也多次出现严重的卡钻、喷孔现象。

图1 2315工作面高位钻场布置示意

2 瓦斯运移规律分析

2.1 模型构建

选择南三采区2315工作面上覆岩体作为研究对象，根据该工作面的实际漏风情况，模拟回采面距开切眼200 m的情形，坐标原点位于工作面支架与回风巷底板交点处。模型沿采空区中部对称，几何边界参数为工作面倾斜长度168 m，平均采高2.8 m，采空区尺寸为200 m×168 m(长×宽)，工作面控顶距为3 m(图2)。

图2 模型示意

2.2 数值模拟分析

采用Fluent软件对图1模型进行了解算，结果见图3。

分析图3可知：采空区中部瓦斯浓度最低，向四周瓦斯浓度逐渐增大，与采空区裂隙的孔隙率分布特征相对应，采空区中部的离层趋于压实，瓦斯浓度相对较低，而在采空区两侧，裂隙较发育，瓦斯浓度相对较高，从而在平面上形成了一个瓦斯浓度高的“O”形圈，即瓦斯运移通道。运用Tecplot软件对数值模拟结果进行进一步处理，得到沿工作面走向、倾向的瓦斯浓度分布特征如图4所示。

图3 采空区瓦斯浓度分布

分析图4可知：沿走向方向上，采用理论值得出的瓦斯浓度分布曲线与采用实际值得出的瓦斯浓度分布曲线基本重合，说明在切眼附近和工作面附近煤岩的渗透系数和孔隙率对“O”形圈内瓦斯浓度及“O”形圈边界的影响较小；沿倾向方向上，采用理论值得出的瓦斯浓度分布曲线与采用实际值得出的瓦斯浓度分布曲线相差较大，但瓦斯浓度总体变化趋势较接近，均为随着与回风巷距离的增加，瓦斯浓度逐渐减小，而后趋于稳定(压实区)，最后接近运输巷道时又逐渐增加。

图4 工作面瓦斯浓度分布

3 煤层卸压瓦斯抽放钻孔布置

3.1 钻孔参数设计

根据相关理论，钻孔终孔高度Hz应处于裂隙带范围内[4-6]，即：

Hm

(1)

式中，Hm为冒落带高度，m；H1为裂隙带高度，m。

Hm计算公式为[4-7]

式中，M为采面平均采高，m；k为碎胀系数；α为煤层平均倾角，(°)。

H1可用下式进行计算[8-9]：

式中，a，b，c均为待定常数，取值可根据相关煤矿设计规范确定[10]。

将式(2)和式(3)代入式(1)中，便可确定钻孔终孔距底板的高度。

钻孔有效长度应确保其位于裂隙带范围，即：

Lk=Lz-Lc，

(4)

式中，Lk为钻孔有效长度，m；Lz为钻孔总长度，m；Lc为重叠区长度，m。

为将抽放钻孔顺利打至“O”形圈内，抽放钻孔的终孔点或抽放巷与回风巷的水平距离s可按下式计算[10]：

s=[H-(B+Hcotα)tanα]sinα+

(B+Hcotθ)/cosα，

(5)

式中，H为抽放孔的终孔点或抽放巷与煤层的垂直距离，m；B为钻孔(巷)距“O”形圈外边界的距离，m；θ为裂隙边界与开采边界的连线与煤层的夹角，(°)。

2315工作面煤层属于坚硬煤层，本研究设定a =1.2，b =2.0，c=8.9，M=2.8m，α=11°，k=1.28～1.51，据式(2)可得，Hm=10.18m，据式(3)可得H1并取其下限值时为43.34m。考虑到钻场的稳定性及便于维护，本研究钻场高度确定为11m。根据10#煤层赋存特征及现有的生产条件，钻孔孔深设定为80～95m，根据式(4)可得，Lk约为55m。由于H1=43.34m，故H=40.54m。根据钻孔孔深和H值，可得θ=42°，B=0～34m，由式(5)可得出s=0～35m。为确保长时间、高浓度、高效率地抽放瓦斯，本研究Hz=10.18～43.34m，s=0～4m。

3.2 抽放效果

由2315工作面瓦斯浓度观测可知，工作面至切眼开始推进，在钻孔抽放之前，瓦斯涌出量为5.12m3/min，工作面回风巷段6～8m内瓦斯超限，当工作面推进超过40m后，抽放钻孔开始抽放发挥作用，当顶煤充分放落(或来压期间)时，抽放瓦斯涌出量为1.8～2.9m3/min，占综放面瓦斯涌出量的35%～56%，抽放效果十分明显。在正常抽放瓦斯时，工作面回风巷段6～8m处，局部区域的瓦斯浓度为0.6%～0.8%，在长期观测过程中，瓦斯抽放浓度变化较大，为0.7%～4%。由于瓦斯密度低于空气密度，而钻孔终孔又位于采动裂隙“O”形圈内，大量瓦斯首先涌入该区域，即被抽采钻孔抽出，使得大量由采煤工作面中涌出的瓦斯被排出，确保了上隅角瓦斯不超限。

4 结 语

以某矿2315采煤工作面为例，结合Fluent数值模拟分析方法，对该工作面上覆岩层采动裂隙“O”形圈内的瓦斯运移规律进行了分析，并对相应的瓦斯抽放钻孔参数进行了合理设计，取得了理想的抽放效果，可供类似矿山借鉴。