综放面初采期高抽巷抽采效果数值模拟研究

2013-03-19方月梅何明礼

湖北理工学院学报 2013年1期

王成，方月梅，何明礼

(湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北黄石435003)

在煤层开采工程中，因采动卸压作用，处于卸压范围内的围岩将通过采动裂隙网络与开采层的采空区相连通，于是就形成了采动裂隙带，这是煤矿瓦斯抽放的重点区域。近年来，一大批有志于煤矿安全生产的专家、教授致力于其中的瓦斯运移规律研究，其中以瓦斯动力弥散规律的研究和瓦斯升浮- 扩散规律的研究为代表［1］，为煤与瓦斯安全共采的理论与实践研究提供了借鉴基础。

本文以阳泉三矿K8206 超长综放工作面为背景，针对研究现状及三矿K8206 瓦斯高抽巷抽放存在的问题，通过数值模拟与现场实测数据分析，找出初采期瓦斯治理最优抽放负压以及在具体实施中应该注意的事项。

1 综放面开采技术条件

阳泉矿区共有16 层煤层，其中3 号、12 号和15 号煤层为主要可采煤层，6 号、8 号、9 号和11 号煤层为局部可采煤层，全部煤层均为高变质类无烟煤。阳泉三矿K8206 工作面是阳泉矿区首个超过250 m 的大采长综采放顶煤工作面。工作面走向长度为1 579 m，倾斜长度为252.2 m。工作面煤层总厚为7.08 m，净煤厚为6.71 m，煤层倾角为1°～7°，平均倾角为5°。采用综放一次采全高的开采方法，采高2.8 m，放顶煤高约3.9 m，工作面平均推进速度2～4 m/d，顶板管理采用全部垮落法，K8206 综放面布置图如图1所示。

图1 K8206 综放面布置图

K8206 综放面邻近层瓦斯抽采采用“走向高抽巷+后高抽巷”的抽采模式。工作面高抽巷沿11 号煤层布置，与15 号煤层的垂直距离为50～60 m，与回风巷水平距离为60 m。在工作面初采期，由于15 号煤层覆岩不能及时跨落至走向高抽巷所在层位，走向高抽巷不能及时抽采下部卸压的邻近层瓦斯，故在工作面初采期，布置后高抽巷进行抽采。K8206 工作面后高抽巷的布置方式为沿回风巷掘进方向过切眼按18°倾角继续掘进20 m 后，再按38°的伪倾角反向起坡往工作面上方掘进，并与走向高抽巷末端相连，后高抽巷利用走向高抽巷的抽放负压抽采初采期邻近层卸压瓦斯。走向高抽巷和后高抽巷的布置方式如图2所示。

图2 走向高抽巷和后高抽巷的布置方式

K8206 综放面通风方式采用“U+I(内错尾巷)”型布置方式。内错尾巷沿15 号煤层顶板布置，与回风巷的水平距离为28 m，内错尾巷布置方式如图3所示。

图3 K8206 综放面内错尾巷布置方式

2 综放面瓦斯高抽巷抽采阶段划分

根据K8206 综放面高抽巷抽采实际情况、能力的大小以及地质条件的变化，综放面瓦斯涌出特点及高抽巷瓦斯抽放效果可分为5 个阶段［2］:综放面瓦斯初采期、高抽巷瓦斯抽采不力期、高抽巷瓦斯抽采正常期、3 号煤巷道施工影响期和3 号煤已采期。本文仅分析综放面高抽巷抽采初采期。初采期间，在工作面推进40 m 之前，工作面高抽巷基本抽不上瓦斯，风排瓦斯量随着工作面的推进逐渐上升［3-4］。

3 初采期高抽巷抽采效果分析

综放面初采期风排瓦斯和抽采瓦斯走势图如图4所示。从图4 中可以看出，工作面后高抽巷在工作面推进20 m 之前根本抽不上瓦斯，在工作面推进20 m 时方能抽上1.63 m3/min 的瓦斯，在工作面推进32 m 后开始大量抽采瓦斯。后高抽巷几乎没有达到提前抽采邻近层瓦斯的目的。

K8206 综放面初采期后高抽巷瓦斯混合量、抽放量及高抽巷抽放浓度与抽放负压之间的关系如图5～7所示。

图4 K8206 综放面初采期风排瓦斯和抽采瓦斯走势图

图5 K8206 综放面初采期后高抽巷混和量与抽放负压关系走势图

图6 K8206 综放面初采期后高抽巷抽放量与抽放负压关系走势图

图7 K8206 综放面初采期高抽巷抽放浓度与抽放负压关系走势图

从图5～7 可以看出，工作面推进19.9 m时，后高抽巷保持980 Pa 的负压，可以抽出54.4 m3/min 的气体，但抽出的瓦斯浓度却较低，仅为25%，这说明此时关键层未发育到含瓦斯邻近层，邻近层瓦斯得不到卸压，不能涌出。当工作面推进至32 m 时，高抽巷抽采瓦斯浓度及抽采瓦斯量开始大量增加，说明此时高抽巷开始大量抽采到邻近层瓦斯。此现象进一步证明了覆岩结构对邻近层瓦斯涌出的影响［5］。

该阶段裂隙尚未完全发育到高抽巷，抽放阻力很大，工作面推进32 m 后若能适当提高高抽巷的抽放负压，抽放效果可能会更好。

4 数值分析模型的建立

数值模拟分析模型的参数如下［6-8］:模型为六面体:长252.2 m、宽40.0 m、高70.0 m。采煤工作面的尺寸为:长252.2 m、高3 m、宽4.5 m，进、回风顺槽的尺寸为:长20 m、高3 m、宽4.5 m，内错尾巷的尺寸为:长20 m、高和宽均为2 m。内错尾巷相对工作面回风顺槽的水平距离、垂直距离分别为20 m 和6 m，深入采空区为1 m，后高抽巷的尺寸为:长50 m、高和宽均为2 m。高抽巷相对工作面回风顺槽的水平距离、垂距均为60 m。此阶段只有后高抽巷发挥作用。利用GAMBIT 建立工作面三维模型，将坐标原点定在模型低面左后侧的顶点。工作面初采期通风模型如图8所示。

图8 工作面初采期通风模型

5 综放面初采期瓦斯高抽巷抽采效果数值模拟

本节模拟在工作面初采期，高抽巷处于缓慢底鼓阶段，高抽巷抽放效果随抽放负压的变化关系。由于受不同抽放负压的瓦斯抽放效果图区别不大，并且文章篇幅有限，本节仅列出在高抽巷抽放负压为3 000 Pa 时的效果云图。工作面初采期不同抽放负压下的抽放效果如表1所示。

表1 工作面初采期不同抽放负压下抽放效果

X =60 m 且在Z 轴方向上取Z =1 m，Z=7 m，Z =61 m 的平面，分别表征采空区、内错尾巷与高抽巷所在面的浓度与速度图，如图9～13所示。进风巷、回风巷、内错尾巷、高抽巷与工作面的位置在图中已标出。

图9 初采期采空区瓦斯浓度等值线云图

图10 初采期采空区瓦斯运移速度等值线云图

图11 初采期后高抽巷瓦斯浓度等值线云图

图12 初采期后高抽巷速度等值线云图

图13 初采期尾巷浓度等值线云图

1)由图9 和图10 可知:①在采空区垂直高度上，采空区瓦斯浓度随高度的增加而增加，瓦斯浓度为2.95%～89.6%，后高抽巷所在层位瓦斯浓度为47.2%～85.2%，瓦斯浓度比较高，说明顶板裂隙尚未完全发育至后高抽巷。后高抽巷所在层位A 与普通层位B 相比，瓦斯浓度比普通层位B 要低，速度比普通层位B 要高，说明后高抽巷起到了抽放上邻近层瓦斯的作用;②在采空区水平面上及走向方向上，从工作面到采空区深处，瓦斯浓度逐渐升高，瓦斯流速逐渐降低;在倾斜方向上，从进风隅角到回风隅角，瓦斯浓度也在逐渐升高。

2)仔细分析图11 及图12 可知，由于后高抽巷的抽放作用，在后高抽巷尾部层位上，靠近工作面及后高抽巷尾部的瓦斯浓度比中部要低，瓦斯浓度曲线成“U”字形:靠近工作面一侧由于风流的作用及采动裂隙发育的原因使得瓦斯浓度比同垂高的中部瓦斯浓度低，在后高抽巷尾部由于高抽巷抽放作用使得瓦斯浓度比中部要低。

3)高抽巷不同负压下工作面安全情况及高抽巷抽放效果如表1所示。由表1 可知:工作面初采期由于裂隙未能较好的发育，高抽巷抽放流量偏低，在模拟最高负压3 500 Pa 下混合最高流量仅为163 m3/min。工作面安全条件也不好，除了在最高抽放负压3 500 Pa 下回风巷瓦斯浓度未达到0.75%，其他模拟条件下均超过0.75%，且尾巷瓦斯浓度基本都超限。对比不同抽放负压下高抽巷抽放效果及工作面安全条件情况，K8206 大采长工作面初采期高抽巷最优抽放负压为3 500 Pa 左右。

4)对比初采期高抽巷抽采效果分析可知，提高初采期抽放负压可明显改变高抽巷的抽放效果:初采期在高抽巷抽放负压为1 000 Pa 时，高抽巷抽放的瓦斯流量最大可达60 m3/min，浓度25%，瓦斯纯流量15 m3/min，而在模拟中适当提高高抽巷抽放负压后，高抽巷抽放的瓦斯在浓度及纯流量上都有大幅度的提高。