余吾矿高抽巷合理位置参数研究

武海涛

(山西潞安化工集团 余吾煤业有限责任公司,山西 屯留 046100)

近些年通过不断加大煤矿开采的机械化程度,使得采煤工作面的采煤强度不断增大,由此带来的安全隐患也不容忽视。高瓦斯矿井的先进机械化开采导致瓦斯涌出量非常大,瓦斯超限等现象时有发生,瓦斯灾害问题已经成为当前煤矿安全生产的主要隐患。回采工作面或掘进工作面瓦斯涌出量超限会直接影响煤矿的安全生产和工作效率。因此,有效解决工作面瓦斯超限、上隅角瓦斯积聚等问题就成为当前研究人员的主要攻关方向。

张聪华[1]通过仿真模拟软件Fluent模拟了高抽巷不同位置的瓦斯抽采,并对抽采效果进行了比较分析;安然等[2]利用采空区气体渗流规律,通过构建模型研究不同位置高抽巷下氧化带宽度;刘瑞涛[3]研究了顶板高抽巷的围岩应力和形变规律,进一步确定了高抽巷布置的合理位置;张栋等[4]提出了“沿空留巷+高抽巷”联合抽采手段,避免了瓦斯涌出异常,达到了安全开采效果;徐永佳[5]、薛智勇[6]在相似模拟实验的基础上,探讨了高抽巷合理位置的布置原则;解俊祥等[7]采用数值模拟和实际相结合的方式,通过长时间的实地观测确定了卸压瓦斯抽采钻孔终孔的合理位置,有效降低了工作面瓦斯浓度。官安龙等[8]以余吾煤业N1102工作面为对象,采用数值模拟的方法,计算分析了高抽巷内瓦斯分布情况,并通过现场数据监测验证了采空区高抽巷的效果。庄小威等[9]分析了余吾煤业S5207高抽巷受临近工作面采动动压的影响规律,通过数值计算的方法得到了采动影响不同阶段的特征。安朝峰[10]研究了高位巷道瓦斯抽采对煤自燃三带的影响,采用理论分析的方法得到了高位巷抽采能够使进风侧的自燃带增大,回风侧自燃带减小。李忠等[11]基于“O”形圈理论,提出了走向高抽巷层位的计算方法,并在阳泉矿区进行试验验证,实际测量值与理论计算结果相符。范尚崇等[12]为解决黄岩汇煤矿15108工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题,通过理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了不同层位下的高抽巷抽采效果,最终确定了高抽巷的层位以及瓦斯治理效果。王建国等[13]研究了高抽巷对采空区注氮放灭火的效果,通过改变注氮口的位置和注氮量,分析采空区自燃氧化带的范围。张利军等[14]针对潞安集团漳村矿回采初期瓦斯涌出异常问题,采用贯通倾斜高抽巷的方法解决了瓦斯超限的这一问题。李忠等[15]采用数值模拟的方法对煤层群回采后的应力等特征。梁成等[16]采用Fluent软件模拟分析了高抽巷的布置参数对采空区瓦斯与氧气的分布情况。赵林等[17]模拟了高抽巷瓦斯抽采流量和位置不同时,回风巷内瓦斯浓度的变化规律。罗明坤[18]对比分析综掘设备的效果,分析发现,引进的设备效果更好,日均进尺数、施工效率均得到很大提升。

以上学者对高抽巷的布置和影响因素做了详细的研究工作,但是基于余吾煤业潞安矿区S5207工作面的实际问题:临近工作面以及其周围巷道对本工作面高抽巷位置的影响,尚未有学者对此类问题展开研究。

本文以S5207工作面高抽巷为研究背景,结合理论计算,通过数值模拟研究高抽巷的布置参数,解决临近工作面以及其周围巷道对本工作面高抽巷位置的影响这一问题,对S5207回采工作面的安全生产及同类井下实际问题提供了一定的依据。

1 高抽巷水平布置参数计算

距离煤层顶板的垂距和距离工作面回风平巷的水平距离是决定高抽巷位置两个主要参数。公式(1)的计算可以得到高抽巷水平位置。

lS=[h-(lB+Hcotθ)tanα]sinα+(lB+hcotθ)secα.

(1)

其中:lS为距回风巷的水平距离,m;h为距顶板的垂距,m;lB为距O形圈外边界的距离,可取15～25 m;θ为煤层与裂隙到开采边界连线的夹角,取值为65°;α为煤层倾角,取7°。经求,lS=43.81 m。即高抽巷布置参数h为8.68～35.42 m,lS小于43.81 m。因此,S5207回采工作面布置高抽巷时应基本满足以下条件:①S5207高抽巷应该布置在距工作面煤层顶板9～36 m的范围内,距S5207回风巷水平距离应控制在43.81 m以内,这主要是裂隙带的高度。②由于高抽巷需要在工作面整个回采前以及回采周期内持续工作,必须使得其在工作面掘进和推进过程中受到工程扰动影响尽可能最小,因此设置在应力降低区显得尤为重要。③考虑到整个工作面是采用U型通风的方式进行送风作业,易在上隅角处形成瓦斯的积聚,在考虑到经济和瓦斯抽采效果的基础上,应尽量减少高抽巷距回风巷的水平距离。

2 模型建立与分析

采用FLAC3D软件模拟井下开采情况,研究在临近S5206工作面及其高抽巷的影响下,S5207高抽巷逐步开挖模型。模型的大小为=500 m×500 m×100 m。S5206高抽巷大小=3 m×3 m,顺槽巷道大小=5 m×6 m,S5206工作面模型大小=295 m×440 m×6 m,模型如图1所示。随后进行计算至模型稳定。

距煤层顶板的垂距h的取值通过计算3号煤层回采工作面上方的裂隙带高度来确定。采用工程类比法,结合相邻矿井的经验,h的取值为10 m、15 m、20 m。距S5207回风平巷的水平距离lS的取值要根据高抽巷布置原则、工作面长度和经济技术条件进行选择。本研究根据现场实际情况设lS为5 m、10 m、15 m。总共有高抽巷布置的9种方案,见表1所示。

(a)

(b) 图1 计算模型(正视图)Fig.1 Calculation model (front view)

表1 不同模拟方案Table 1 Simulation plans

3 高抽巷开挖应力对比分析

为了分析高抽巷超前应力的分布规律,对布置在高抽巷前方铅直方向的测线应力进行监测、记录,数据经分析处理后,如图2所示。

1)从图2(a)中可看出:垂距为10 m时,高抽巷与回风巷内错距为5 m、10 m、15 m,超前垂直应力曲线均存在一个峰值。高抽巷与回风巷道内错距为5 m时,随超前距离的变化增长到5 m时应力增大到峰值为21.5 MPa。随后,随着超前距离的增加,超前垂直应力迅速降低,巷道超前距离在15 m以后的超前应力值降为原岩应力,为16.5 MPa。高抽巷与回风巷内错距为10 m和15 m时,超前垂直应力在超前距离达到5 m时达到峰值,分别为18.5 MPa和18.2 MPa。随着超前距离的增大,超前应力下降,分别降到17.0 MPa和16.7 MPa。

2)垂距增加到15 m时,超前垂直应力随着超前距离的增加表现出先迅速增加达到峰值后又减小,恢复到原岩应力状态。超前距离为5 m时,回风巷的内错距为5 m、10 m的超前垂直应力达到最大峰值17.8 MPa。内错距为15 m时,超前垂直应力在5 m时达到峰值16.5 MPa。从图2(b)中可以看出,随着内错距的增加,超前应力的峰值和稳定值都会呈现规律的变化趋势。监测3种不同垂距条件下的超前应力发现,随着高抽巷与工作面回风巷的内错距增大,超前应力的峰值和稳定值均呈现很明显的下降趋势。当垂距为10 m时,内错距对超前应力的影响最大。但是内错距继续由10 m增大到15 m时,超前应力的变化量又出现减少。

3)从图2(c)中可以看出,高抽巷与回风巷道内错距为5 m、10 m和15 m时,超前垂直应力随超前距离的变化曲线均表现出先增加到一个小的波峰,随后有一个小的下降过程,又迅速增加大峰值,最后下降并保持一稳定数值附近。高抽巷与回风巷内错距为5 m时,超前垂直应力在超前距离为8 m左右时出现最大峰值,为17.2 MPa,随超前距离的增加,最后降为16.7 MPa左右。高抽巷与回风巷内错距为10 m和15 m时,其超前垂直应力变化曲线与高抽巷与回风巷内错距为5 m时变化趋势基本相同。

综合分析图2(a)、(b)和(c)发现,随着垂距的增加,对顶板超前应力的影响效果也随之降低。在15 m和20 m的垂距设置条件下,顶板超前应力的峰值和稳定值均呈现持续降低趋势。当高抽巷垂距超过20 m时,打抽放钻孔会增加更大的生产投入成本,而且耗费时间。

(a)垂距为10 m时的超前应力分布

(b)垂距为15 m时的超前应力分布

(c)垂距为20 m时的超前应力分布图2 不同层位高抽巷超前应力分布曲线图Fig.2 Distribution curves of advance stress of high drainage roadway at different locations

对布置的水平测线进行应力测试,测试结果如图3所示。从图3(a)中可以看出垂距为5 m时,高抽巷距离顶板垂高不同,两帮侧应力与水平距离之间的关系。垂高为10 m与垂高为15 m和20 m时两帮侧应力分布曲线存在较大差别。垂高为10 m时,呈现出现迅速上升,在水平距离为3 m时出现第一个小的波峰,随后增长速度缓慢,在水平距离为7 m时出现第二个波峰,波峰值达到20.5 MPa;然后开始呈下降趋势,在水平距离为30 m左右时出现上升速度较快,出现一个比较陡的波峰,随后迅速下降。垂高为15 m和20 m,两帮侧应力曲线形状相似,垂高为15 m的曲线各点波峰值均高于垂高为20 m的曲线。初始应力值也不相同,垂高为15 m的初始侧应力值为15.1 MPa,大于垂高为20 m的初始侧应力值(13.2 MPa)。从图3(b)中可以看出,垂距为10 m时,垂高为10 m的侧应力曲线变化最明显。垂高为10 m时初始侧应力值为17.0 MPa,随着水平距离的增加,两帮侧应力曲线呈现出先缓慢增长后缓慢下降,后又逐渐上升,在水平距离为10 m左右时存在一个波峰,峰值在19.0 MPa。垂高为15 m和20 m时,两帮侧应力曲线形状与垂距为5 m时的曲线相似,只是初始侧应力值和侧应力降为零时所对应的水平距离边长,在30～35 m范围内。

(a)垂距为5 m时的侧应力分布

(b)垂距为10 m时的侧应力分布

(c)垂距为15 m时的侧应力分布图3 不同层位高抽巷侧应力分布曲线图Fig.3 Distribution curves of lateral stress of high drainage roadway at different locations

从图3(c)中可以看出垂距为15 m时,高抽巷距顶板垂高为10 m、15 m和20 m时两帮侧应力曲线,与垂距为10 m时变化趋势基本相同,初始侧应力值和侧应力值降为零时所对应的水平距离略有不同。随着垂距的增加,垂高为15 m和20 m的两帮侧应力降低为零时的水平位移发生了外移。垂高为10 m时两帮侧应力值在垂距为10 m和20 m时变化比较平稳。

对水平测线进行应力测试,测试结果如图4所示。从图4(a)中可以看出,垂距为10 m时,高抽巷与回风巷内错距为5 m时顶板垂直应力初始值为19.4 MPa,高于内错距为10 m和15 m时的初始垂直应力值。随着垂直距离的增大,垂直应力值逐渐减小,在大约28 m处,三条曲线的顶板垂直应力值相同,均降到13 MPa左右。从图4(b)中可以看出,垂距为15 m时,三条垂直应力的初始值均减小。内错距为10 m和15 m的垂直应力曲线基本重合。内错距为5 m的垂直应力曲线波动比较大,最后三条曲线随着垂直距离的增大,应力值保持在12.3 MPa附近。图4(c)中,内错距不同时,三条曲线的初始垂直应力值相比于垂距为15 m时,变化很小。顶板的垂直应力随着距离的增大均缓慢下降,最后趋于稳定,保持在12.4 MPa附近。

(a)垂距为10 m时的垂直应力分布

(b)垂距为15 m时的垂直应力分布

(c)垂距为20 m时的垂直应力分布图4 不同层位高抽巷垂直应力分布曲线图Fig.4 Distribution curves of vertical stress of high drainage roadway at different locations

综合分析,端头处的垂直应力的大小不仅与垂距有关,还随着内错距的增加而降低。尤其是在垂距为10 m时,当内错距由5 m增大到10 m时,垂直应力降低的变化量最大,约3 MPa;但随着垂距增加到15 m和20 m,增大内错距对垂直应力变化量的影响降低。因此,高抽巷距离S5207工作面顶板10 m垂距的位置最为合理。

4 结语

为了确定余吾煤业潞安西部矿区S5207工作面高抽巷的位置,确保S5207工作面回采工作时能够平稳地进行瓦斯抽放,并保证工作面的安全与稳定,采用FLAC3D建立了S5207高抽巷在临近S5206工作面及其高抽巷影响下的三维数值模型。通过研究分析S5207高抽巷布置在距离工作面回风巷内错5 m、10 m、20 m,与煤层顶板垂距为10 m、15 m、20 m时的超前垂直应力、两帮垂直应力、两帮侧应力的变化来确定巷道的最佳布置位置。结果表明:最终确定S5207工作面高抽巷的最佳位置是与煤层顶板垂直距离为10 m,与S5207工作面回风巷内错距为10 m时能够保证其受到合理的地应力影响从而保持安全稳定的运行状态。