矿井沿空掘巷瓦斯分布规律分析

安 邦

（汾西矿业集团通风处， 山西 介休 032000）

1 工程背景

某矿属于煤与瓦斯突出矿井，曾经多次发生煤与瓦斯突出，矿井主采二1煤层，煤层平均厚度为4.2 m，煤层倾角为12°，煤尘无爆炸性，顶底板分别是黑色、砂质泥岩和灰黑色根土岩；煤层底板属于灰黑色根土岩，间接底板是粉砂岩或细粒砂岩。

12051工作面西面是12032工作面，北面是12061工作面，东、南面是未采动区。煤层的平均厚度为4.2 m，煤层倾角为10°～25°，煤层层理节理发育正常，无自然发火期，煤尘无爆炸危险性。顶板岩性为砂质泥岩，厚度为7.66 m，老顶岩性为砂岩，厚度为5.87 m，直接底板的厚度为5 m，属于泥岩，基本底的厚度为4 m，为砂质泥岩，巷道顶底板稳定，对巷道掘进影响不大。

12051工作面上顺槽位于12051工作面上部，上顺槽开口位于12302下顺槽开口位置，以方位角170°沿煤层顶板掘进至切眼位置，地面标高为+150～+160 m，水平标高在-320～-280 m之间，设计走向长度为615 m，支护采用11号矿用工字钢2.4 m×2.4 m梯形对棚支护，棚距为0.7 m，巷道净高2.1 m，上宽2.2 m，下宽3.2 m，巷道布置如图1所示。

图1 12051工作面设计平面图

2 模拟分析

2.1 模型建立

本次模拟是以某矿实际地质条件如煤层倾角2°，工作面长度是120 m，巷道走向长度500 m以及的煤岩层位置关系为基础建立数值模型[1-3]。数值模型划分网格单元共116 000个，节点共123 369个，整个模型范围大小为280 m×500 m×260 m，其中X轴方向—水平向右；Y轴方向—沿煤层走向；Z轴正方向—垂直向上。

2.2 模型参数设定

含瓦斯煤岩层物理力学具体参数如表1所示。

表1 物理力学参数

采动煤体瓦斯流动基本参数如表2所示。

表2 瓦斯参数

2.3 模拟分析

1）煤层垂直位移（见下页图2）。

由图2可知，工作面左侧煤层发生最大垂直位移为4.35 cm，右侧最大垂直位移为3.8 cm，且都发生在沿采空煤壁面[4]。

2）煤层水平位移（见图3）。

由图3可知，工作面左侧煤层最大水平位移为1.29 cm，工作面右侧煤层最大水平位移为1.4 cm，且都发生在沿采空区煤壁面上。

图2 煤层垂直位移变化曲线

图3 煤层水平位移变化曲线

3）煤层垂直应力计算结果（见图4）。

图4可知，在距沿空煤壁4～9 m的煤层内发生垂直应力集中，最大垂直应力为37.6 MPa。

4）煤层水平应力。

由图5可知，距沿空煤壁8～15 m的煤层内发生水平应力集中，最大水平应力为18.8 MPa。

5）煤层瓦斯压力分布（见图6）。

图4 煤层垂直应力变化曲线

图5 煤层水平应力变化曲线

图6 煤层瓦斯压力分布曲线

工作面左右侧煤层从煤体内向外至沿采空区煤壁面，在距采空区煤壁面向煤体内延伸大约11 m处瓦斯压力骤然下降，由此可见，煤层瓦斯压力在沿空卸压带内呈下降趋势[5]。

3 模拟结果分析

1）基于二1煤层开采条件的数值模拟总结出，在工作面回采以后，煤体受采动影响，煤体发生应力变化，在距沿采空煤壁面8～15 m之间，煤体产生塑性破坏的区域。沿采空区的煤体分别表现为剪切和拉伸破坏两种破坏形式，故而形成采动卸压带。

2）因为沿空采动煤体卸压带内部的瓦斯压力和沿空煤壁面的瓦斯压力不一样，之间具有一定的压力差，促使卸压带内煤体中的瓦斯向采空区涌出，形成瓦斯流动场，煤层中瓦斯压力逐渐降低。数值模拟分析得出，瓦斯压力在煤体内距沿空煤壁大约11 m处呈现出明显下降趋势。

4 结语

本文基于二1煤层开采条件的数值模拟分析研究表明，回采面回采之后，距沿空煤壁8～15 m的范围产生塑性破坏，主要有剪切和拉伸破坏形式，从而形成采动卸压带。由于卸压带内部的瓦斯压力与沿采空区煤壁的瓦斯压力存在一定的压力差，使卸压带内煤体中瓦斯向采空区涌出，形成瓦斯流动场，煤层中瓦斯压力逐渐降低。数值计算结果表明，在煤体内距采空区煤壁大约20 m处，瓦斯压力开始明显下降。并且随着沿空煤壁暴露时间的延长，瓦斯流动场范围会逐渐扩大。