华晋焦煤沙曲矿综掘面瓦斯抽采防突参数的优化

袁胜军 魏 雷

（山西大同大学，山西大同 037003）

华晋焦煤沙曲矿综掘面瓦斯抽采防突参数的优化

袁胜军 魏 雷

（山西大同大学，山西大同 037003）

运用ANSYS10.0对巷道掘进工作面两帮以及工作面深部应力进行了数值模拟及解算，得出了巷道两帮的应力分布状况，在此基础上优化了瓦斯抽采钻孔的布置方式及合理参数，对于有效防治煤与瓦斯突出，实现快速掘进具有重要的意义。

瓦斯运移；瓦斯抽采；煤与瓦斯突出

煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井动力现象。高瓦斯突出煤层巷道掘进往往受高地应力、高瓦斯压力的影响，掘进工作面突出危险性大，直接导致掘进速度慢，影响了矿井采掘平衡关系。煤与瓦斯突出主要发生在巷道应力集中区域[1-2]。钻孔瓦斯抽采技术[3-4]是目前防治煤与瓦斯突出的主要方法。确定高效、合理的抽采技术方案和参数，对于实现矿井安全、快速掘进，提高矿井生产能效具有十分重要的意义。

1 问题的提出

华晋焦煤沙曲矿为高瓦斯突出矿井，掘进工作面、特别是综掘工作面，突出预测指标超过临界值，工作面瓦斯浓度超限频繁，导致工作面停工（平均2.8次/月）、停机 (10次/班)，严重影响掘进进度（综掘工作面月均进度仅为90 m），造成矿井“抽、掘、采”接替紧张。为了达到消除突出危险、确保掘进工作面安全快速掘进，通过在巷道两帮布置钻场，在钻场内施工钻孔实施瓦斯抽采。但是，效果并不显著，相关参数有待优化，以实现综掘工作面的安全、高效掘进，使“抽、掘、采”合理有序接替，促进矿井高产高效、安全生产。

2 瓦斯抽采参数的确定

为了合理确定巷道两帮瓦斯抽采钻孔位置及其相关参数，有效提高瓦斯抽采效率，防止煤与瓦斯突出，本文采用有限元分析软件ANSYS10.0[5]对巷道周围煤体的应力分布状况进行数值模拟。

2.1 计算模型的建立

本文以沙曲矿4#煤层14203轨道顺槽为模拟掘进工作面。4#煤层平均厚度2.45 m，倾角2°～4°，计算模型可以近似为水平模型。根据沙曲矿煤岩层柱状特征，上覆岩层及底板共考虑50 m厚度，此范围外的岩层采用边界条件模拟，由此形成了200 m×50 m×50 m的计算模型。将模型按照现场条件进行开挖，巷道形状为矩形（宽×高=4.2 m×2.4 m），并按照现场情况进行巷道支护，围岩本构关系采用摩尔-库仑模型。

2.2 结构单元的划分

在上覆岩层中，靠近煤层顶板的岩体应力变化和位移变化相对剧烈，因此单元的划分比较密集；沿模型走向方向，煤岩层视为均质各向同性体，均匀划分单元网格。本次数值模拟计算，模型一共划分出140×90共12 600个四边形单元和12 821个节点（见第16页图 1）。

2.3 边界条件的确定

在选定计算模型范围的基础上，确定边界条件。

2.3.1 上部边界条件

模型上方载荷与上覆岩层的重力有关，根据海姆假设的要求，原岩自重应力作用在模型上部边界。

图1 计算模型网格划分（单位：m）

2.3.2 下部边界条件

本模型下部边界为底板，为全约束边界，即下部边界节点水平位移、垂直位移均为0（u=0，v=0）。

2.3.3 左侧和右侧边界条件

模型两侧为单约束边界，施加水平方向的约束，即边界水平位移为0（u=0），只允许边界节点沿垂直方向移动。

2.4 模拟结果

经过12 000步计算，模型达到平衡状态，模拟运算后获得的巷道两帮及工作面前方的应力重新分布状况以及巷道两帮围岩破坏情况分别如图2～图4所示。

图2 巷道两帮应力分布（单位：Pa）

图3 巷道围岩破坏示意（单位：mm）

图4 掘进工作面前方应力分布（单位：Pa）

根据模拟结果得到的应力分布状况及围岩破坏特征可以得到以下结论：

①巷道两帮受采动影响，巷道两帮卸压煤体范围为0 m～8 m，最大破坏范围3.8 m，主要为剪切破坏；

②顶板最大破坏深度2.8 m，底板破坏深度1.8 m，多为压破坏；

③掘进工作面前方煤体应力实现重新分布，工作面前方0 m～8 m的范围内为卸压区，8 m～12 m的范围内为应力集中区，12 m以外为原始应力区。

3 实际应用

根据数值模拟结果，最终确定沙曲矿边掘边抽巷道钻场钻孔布置见第17页图5，钻孔长度为120 m，两钻场之间相距100 m，1、2钻孔与巷道中心线平行，3、4钻孔与巷道中心线的夹角为2°，4钻孔落底在巷道轮廓线外9 m处。

图5 巷道钻场钻孔布置（单位：m）

4 结论

①煤层掘进巷道两侧煤体受采动影响发生卸压，卸压煤体膨胀变形，形成顺层张裂隙为主的裂隙分布。钻孔方位与巷道中线成0°～2°夹角，使钻孔始终处于掘进工作面不断推进而形成的巷道两帮卸压煤体内，可充分利用卸压增流效应，提高瓦斯抽采效果；掘进工作面前方0 m～8 m卸压区为钻孔抽放瓦斯“重心”，随着巷道的延伸，卸压区随之前移，钻孔抽采“重心”逐渐移向钻孔深部。

②沙曲矿煤巷边掘边抽钻场采取对称布置，布置在巷道两帮卸压带内。钻场规格4 m×3.5 m×2.4 m。4个钻孔呈菱形布置。钻孔距煤层底板高度为1.2 m～2.4 m，间距0.5 m。钻孔方位与巷道中线成0°～2°夹角。钻孔长度120 m，封孔长度不小于8 m。

③沙曲矿综掘工作面采用长钻孔远程瓦斯抽采，提高了瓦斯钻孔流量，瓦斯抽采量平均提高35%；降低了掘进工作面周围煤体的瓦斯含量和瓦斯压力，消除了掘进工作面突出危险，停工、停机次数分别平均降低了60%和45%；月均进度提高到150 m，实现了瓦斯抽采和巷道掘进的安全高效并行。

[1]范金志，郭德勇，张建国.层次分析法确定煤与瓦斯突出影响因素的权重 [J].矿业安全与环保，2004，31(3)：4-9.

[2]杨清岭，杨鹏.煤层瓦斯流动理论研究 [J].煤炭技术，2007，26(2)：67-69.

[3]俞启香，程远平，蒋承林，等.高瓦斯特厚煤层煤与瓦斯共采原理及实践 [J].中国矿业大学学报，2004，33(2)：127-131.

[4]杨天鸿，徐涛，刘建新，等.应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用煤层 [J].岩石力学与工程学报，2007，26(2)：67-69.

[5]Saeed Moaveni.有限元分析：ANSYS理论与应用 [M].北京：电子工业出版社，2008.

Optimization of Extraction Parameters for Preventing Outburst in Comprehensive Mechanized Driving Face of Shaqu Mine

Yuan Shengjun Wei Lei
(Shanxi Datong University,Shanxi Datong 030024)

This paper simulates the stress distribution condition of drift sides by means of ANSYS10.0 about roadway heading face two sides and deep mining face stress.Thus it obtained the stress distribution of two sides of tunnel.This paper optimizes the arrangement way and reasonable parameters of gas extraction drill hole,which is significant to coal and gas outburst prevention effectively and excavating rapidly.

gas migration；gas extraction；coal and gas outburst

TD713.37

A

1000-4866（2012）03-0015-03

袁胜军，男，1979年生，2009年毕业于太原理工大学，工学硕士，现在山西大同大学任教。

魏雷，男，1980年生，2009年毕业于兰州理工大学，工学硕士，现在山西大同大学任教。

2010-07-02

2010-07-23