寺家庄矿15106 工作面顶板低位抽放巷合理层位研究

刘继勇

（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉045000）

许多大型煤矿“一矿一线两面”的高效开采模式，加大了工作面的产量，但瓦斯问题逐渐凸显[1-3]，事故时有发生。高抽巷瓦斯抽采作为一种主要的抽采方法，具有抽采纯量高、影响半径大、服务年限长的特点，合理的高抽巷布置方式能够有效降低上隅角及回风巷中的瓦斯浓度，保证安全生产，许多学者对此进行过研究[4-6]。钱鸣高[7]院士在关键层理论的基础上阐述了采空区孔隙“O”型圈分布特征，姜福兴[8]教授推导出了岩层质量指数。高延法[9]教授研究了岩移“四带”模型，这对计算和解释导水断裂带的形态和高度都有很大的帮助。杨枫[10]等对比了高位钻孔、高抽巷以及采空区抽采钻孔3 种抽采方式，认为高抽巷能够有效控制上隅角瓦斯浓度，提高了工工作面回采效率。徐永佳[11]以首山一矿为研究对象，根据倾向覆岩理论建立了裂隙发育模型，计算出了高抽巷最终的合理位置。王伟、程远平、刘洪永[12]等基于sigmoid 函数建立了采空区渗流模型，应用CFD 动态模拟软件模拟了高抽巷抽采条件下采空区瓦斯分布规律。为解决下沟煤矿ZF301 工作面瓦斯超限的问题，宋卫华[13]等应用FLUENT 软件模拟了顶板高抽巷不同空间位置时的抽采效果，在现场实践最佳方案后，上隅角瓦斯超限问题得到了有效的控制。以寺家庄矿15106 工作面为研究对象，该工作面同时存在抽采邻近层瓦斯涌出的高位抽放巷与控制上隅角瓦斯浓度的低位抽放巷，基于采空区“O”型圈垮落分布规律以及关键层理论，应用理论计算、实验研究、数值模拟与现场测试现结合的方法，优化该工作面低位抽放巷布置工艺，解决上隅角瓦斯积聚问题。

1 相似模拟

1.1 工作面概况

寺家庄煤矿15106 综采工作面在+510 m 水平，主采15#煤层平均厚度为5.4 m，平均埋深为480 m。工作面设计走向长度1810.6 m，工作面长206 m。预计本工作面回采期间的绝对瓦斯涌出量为189 m3/min，其中，邻近层瓦斯涌出量为144 m3/min，本煤层瓦斯涌出量为45 m3/min，只考虑本煤层瓦斯涌出及低位抽放巷抽采。15106 综采工作面存在2个地面钻孔，综合得到采面覆岩岩性及厚度。

1.2 相似模拟实验

根据“O”型圈理论可知，优化设计抽放巷空间位置前应确定离层裂隙区范围，使抽放巷布置在此范围内。相似模型实验台尺寸为3 m×0.25 m×2 m。设定模型与实体之间的几何相似比为200、时间相似比为14.14、应力相似比为320。相似材料为沙子、石灰、石膏和水，基于覆岩岩性及厚度，按照相似比配比模型材料。

测量相似模型试验得到的覆岩破断角与回采距离关系如图1，可工作面回采过程中切眼侧破断角稳定在60°，回采侧破断角在43°～68°波动，平均54°。测量实验模型“O”型圈离层区域宽约为20 m，相似模拟实验结果如图2。

图1 覆岩破断角与回采距离关系图Fig.1 Relation diagram of rock stratum fracture angle and mining distance

图2 相似模拟实验结果图Fig.2 Similar simulation results

寺家庄矿为突出矿井，按照防突规定岩巷与煤层垂直距离应大于5 m，垂距过高不利于上隅角瓦斯浓度控制，与回风巷越近越有利于下行钻孔施工，综合考虑，低位抽放巷垂距应为5～9 m，低位抽放巷最佳位置示意图如图3。

图3 低位抽放巷最佳位置示意图Fig.3 Schematic diagram of optimum location of low drainage roadway

低位抽放巷应落于图中绿色区域，则内错距L取值范围为：

式中：Hg为低位抽放巷高度，取3 m；Lg为低位抽放巷宽度，取4.5 m；LO为“O”型圈离层裂隙区宽度，取20 m。

代入数据后可以得到0.8 m≤L≤21.5 m。则15106 工作面低位抽放巷位置应该为距回风巷垂距5～9 m，内错距0.8～21.5 m。

2 模型建立及模拟结果

2.1 模型及边界条件

模型建立基于连续性方程、动量方程、组分守恒方程和standard k-ε[14]湍流方程建立的数学模型。为了既能够准确反映采空区瓦斯运移规律的同时又尽可能的简化计算过程，作出理想化假设[15]。依据现场实际情况，简化采空区模型，几何模型参数见表1。

表1 几何模型参数表Table 1 Geometric model parameters table

依据相似模拟实验及理论计算结果，设置低位抽放巷距工作面顶板垂距分别为5、7、9 m，与回风巷内错距分别为1、2、3、4、5、7、9、20、30 m。应用Gambit 软件对几何模型进行submap 类型网格划分，进、回风巷网格步距为0.5 m，网格共480 个，采空区网格步距为1 m，网格共286 092 个，几何模型网格图如图4。

图4 几何模型网格图Fig.4 Geometric model grids diagram

模型为湍流模型的k-epsilon 中的standard 模型，材料为瓦斯和空气的混合物；工作面与采空区交界面设置为内部界面，重力设置为-9.8 m/s2。

1）进风巷的入口设置为速度入口并设置风速，水力直径和湍流强度，依据计算公式得出：风速取2.9 m/s、水力直径为3.6 m、湍流强度为3.1。

2）回风巷出口设置为自由出流。

3）工作面、进回风巷、采空区均设置为流体区域，将采空区设置为多孔介质区域、层流区域，设置瓦斯源项。

4）瓦斯涌出量为45 m3/min，瓦斯源项设为均匀涌出，采空区瓦斯总源项为1.35×10-5kg/（m3·s）。

5）设置低位抽放巷出口为风扇条件并依据现场实际情况设置负压为3 kPa。

6）将孔隙率和渗透率编写为Fluent 中的UDF程序，即可实现采空区孔隙率和黏性阻力系数的非均质分布，孔隙率符合“O”型圈分布规律[16-20]。

根据《煤矿安全监控系统及检测仪使用规范》要求，甲烷传感器距顶板不得大于300 mm，距巷道侧壁不得小于200 mm[14]，在上隅角位置设置监测点监测上隅角瓦斯浓度，坐标为（0，-99.8，14.45），该点距离顶板200 mm，距离巷道侧壁200 mm；在低位抽放巷负压口设置监测面，监测巷道内抽放瓦斯浓度及流量。

2.2 模拟结果

模拟无抽放巷时，采空区瓦斯浓度分布立体图如图5。

图5 采空区瓦斯浓度分布立体图Fig.5 Distribution chart of gas concentration in goaf

无抽放巷抽采时，采空区进风巷处A 点范围瓦斯浓度最低，回风巷上部的B 点范围内瓦斯浓度最高为56%。工作面上隅角瓦斯浓度为5%，达到瓦斯预警。

加入低位抽放巷时，低位抽放巷与煤层顶板垂距为7 m，与回风巷内错距3 m 时的瓦斯分布如图6。

图6 低位抽放巷垂距7 m，内错距3 m 时的瓦斯分布图Fig.6 Gas distribution of 7 m vertical distance and 3 m horizontal distance of low drainage roadway

加入低位抽放巷抽采后，采空区瓦斯浓度明显降低，仅在采空区内部回风巷上方存在小部分高瓦斯浓度范围，上隅角瓦斯浓度变化如图7，低位抽放巷纯瓦斯流量变化如图8。

图7 上隅角瓦斯浓度变化Fig.7 Change in gas concentration in the upper corner

图8 低位抽放巷纯瓦斯流量变化Fig.8 Change of pure gas flow in low drainage roadway

由图7、图8 可知，当低位抽放巷与煤层顶板垂距一定时，上隅角瓦斯浓度随内错距加大先降低后升高，低位抽放巷内纯瓦斯流量变化趋势与之相反。当低位抽放巷内错距小于3 m 时，其位置恰好处于破断角范围外，裂隙发育不完整，抽采效果较差；当内错距在3～9 m 时，此时低位抽放巷恰好处于采空区“O”型圈离层裂隙区，裂隙发育，抽采效果最佳；当内错距大于9 m 时，低位抽放巷无法有效的阻挡采空区瓦斯流入工作面，抽采效果逐渐下降。

当低位抽放巷与回风巷内错距一定时，上隅角瓦斯浓度随着垂距的增加先降低后升高，是因为低位抽放巷垂距过高时无法对低层位瓦斯涌入工作面起到拦截作用。低位抽放巷内纯瓦斯流量随着垂距的增加逐渐增加，主要是煤层回采过程中，上覆岩层会产生两类裂隙，瓦斯在升浮效应的作用下由低层位流向高层位，使高层位瓦斯量高于低层位。

由模拟结果可知，低位抽放巷内错距为3～9 m、垂距为7～9 m 时，抽采效果最佳，但考虑现场掘进巷抽采时，低位抽放巷垂距为7 m 时更便于下行钻孔的实施。由上可以将低位抽放巷层位优化为垂距7 m，内错距为3～9 m。

3 现场实测

根据研究结果，施工低位抽放巷工作面顶板垂距7.2 m，与回风巷内错距5.1 m，巷道为矩形，宽4.5 m，高2.9 m。掘进完成后在距离巷道口8 m 处施工密闭墙，并安放抽放管路及瓦斯监测束管。

在低位抽放巷进行抽采后的30 d 内，监测上隅角瓦斯浓度及低位抽放巷内纯瓦斯流量，现场实测效果如图9。

图9 现场实测效果Fig.9 Field test effect

巷抽采初期效果不佳，因为关键层垮落之前，上覆岩层形成的裂隙较小，并且不断有采空区落煤及采煤产生的瓦斯逸散至工作面，造成上隅角瓦斯浓度不断升高，最高达到0.86%，存在超限危险。随着工作面推进，大裂隙逐渐产生，“O”型圈离层裂隙区形成，进入正常抽采时期，低位抽放巷抽采纯瓦斯流量增加至31.9～37.2 m3/min，平均值为34.7 m3/min；上隅角瓦斯浓度逐渐降低在0.42%～0.49%，平均值为0.47%，实测结果与模拟结果相符。

4 结 论

1）根据“O”型圈理论和相似模拟实验，破断角约为54°，离层裂隙区宽度约为20 m，低位抽放巷应布置在与工作面顶板垂距5～9 m，与回风巷内错距为0.8～21.5 m。

2）应用Fluent 模拟不同位置低位抽放巷抽采效果后，确定低位抽放巷最佳位置为与工作面顶板垂距7 m，与回风巷内错距3～9 m。

3）施工低位抽放巷与工作面顶板垂距7.2 m，与回风巷内错距5.1 m，上隅角瓦斯浓度得到了有效地控制，基本稳定在0.47%，达到了预期效果，可为其他工作面治理上隅角瓦斯提供借鉴。