高抽巷的合理空间层位及抽采效果分析

张跟柱，徐金海，张兵兵，苏 赛

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221116)

高抽巷的合理空间层位及抽采效果分析

张跟柱1，徐金海2，张兵兵1，苏 赛1

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221116)

为解决综放面、采空区及上隅角瓦斯频繁超限问题，以五阳煤矿7603综放面为工程背景，提出了高抽巷抽采瓦斯方案，通过理论计算得到高抽巷与煤层顶板垂直距离为35m，与回风巷水平距离为40m；利用数值模拟对5种方案下瓦斯抽采效果进行分析，得到当高抽巷位于层位2时，即S=40m，H=35m时瓦斯抽采效果最好，上隅角和回风巷瓦斯浓度为0.5%～0.7%；工业性试验结果表明：正常生产期间回风巷瓦斯浓度在0.5%～0.6%范围内，上隅角瓦斯浓度在0.6%～0.8%范围内，瓦斯浓度能够控制在0.8%以内，保证了7603综放面正常安全高效生产，为类似条件工作面回采提供指导。

高抽巷；空间层位；抽采效果；数值模拟

随着煤矿开采向深部不断延伸，煤层瓦斯含量和瓦斯压力也越来越大，瓦斯超限制约安全生产的“瓶颈”问题也愈加突出，仅靠风排瓦斯已经不能保证安全高效生产[1-2]。放顶煤开采强度相对较大，上隅角及回风巷瓦斯浓度频繁超限，瓦斯浓度超限对人员和设备安全构成极大威胁[3-5]。阳泉煤矿于1992年首次使用高抽巷，瓦斯抽采率达 80%～90%[6]；紧接着阳泉三矿也应用走向高抽巷，基本解决了K8206综放面瓦斯超限问题[7]。淮南矿务局张集煤矿1121工作面、西山煤电集团西铭煤矿48205工作面及彬长矿业集团大佛寺矿等在采用高抽巷抽采采空区瓦斯和防治工作面上隅角瓦斯超限方面进行了大量的实践和探索[8-10]。王成、丁厚成等[11-12]通过数值模拟方法对正常抽采期间高抽巷抽放的混合流量及瓦斯分布进行了分析，得出了高抽巷合理抽采负压；李晓泉等[13]通过分析高抽巷抽采采空区瓦斯现场实际数据，得到了高抽巷抽采瓦斯与风排瓦斯量的相互关系，且通过理论计算方法证明了其合理性；娄金福等[14]通过覆岩采动裂隙 “O”形圈理论研究了高抽巷布置在不同层位时，高抽巷与回风巷及切眼距离之间的相互关系；冯雪等[15]通过研究高抽巷不同层位对采空区自燃危险性的影响，得出高抽巷与煤层顶板的垂直距离与采空区自燃危险性成正相关。以上研究成果很少涉及到通过研究高抽巷不同层位对采空区及上隅角瓦斯抽采效果来确定高抽巷层位。本文为高抽巷合理空间层位确定提供另一种方法，虽然7603综放面煤层埋深及开采强度较大，且煤层瓦斯含量较高，但因应用了高抽巷抽采系统，通过现场试验结果得知该方法保证了煤矿安全高效生产，为高抽巷合理层位布置提供可靠的依据。

1 试验工作面概况

五阳煤矿生产能力为3.00Mt/a， 3号煤层平均厚度为6.10m，煤层的视密度为1.4t/m3，孔隙率为2.8%～3.4%；掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为10.8m3/min，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为98.1m3/min，矿井最大相对瓦斯涌出量为 48.9m3/t，矿井最大绝对瓦斯涌出量为308.5m3/min，属于高瓦斯矿井；3号煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.24～0.27d-1，透气性系数为1.1～13.2m2/(MPa2·d)；高抽巷布置如图1所示。

图1 7603综放面示意

2 高抽巷抽采效果数值模拟分析

2.1 高抽巷空间层位理论计算

高抽巷瓦斯抽采效果与其空间层位有着很大关系，因此，需要确定高抽巷距离煤层顶板的垂直距离H以及高抽巷距离回风巷的水平距离S。高抽巷布置剖视图如图2所示。

图2 高抽巷布置剖视

根据几何关系来计算水平距离和垂直距离，计算方法如下。

2.1.1 高抽巷与煤层顶板垂直距离的确定

当高抽巷布置在垮落带时，虽然能有效防止采空区瓦斯涌出，从而达到降低工作面上隅角瓦斯浓度的目的，但同时也增大了工作面漏风量，这不仅影响工作面正常通风而且影响高抽巷瓦斯抽采浓度；当高抽巷布置在裂缝带上部时，瓦斯抽采浓度较高，但由于裂隙不够发育导致高抽巷不能对垮落带中瓦斯起到引流作用，不能有效解决上隅角瓦斯超限的问题。综上，高抽巷应该布置在裂缝带下部，这样能保证高抽巷在抽采瓦斯浓度较高的同时，也能够解决上隅角瓦斯超限问题。高抽巷与煤层顶板垂直距离H为：

H=h1cosβ+Δh

(1)

式中，H为高抽巷与煤层顶板的垂直距离，m；h1为垮落带高度，m；β为煤层倾角，(°)；Δh为防止高抽巷破坏富余高度，m。

根据现场数据可知：β=9°，Δh一般为2～3倍采高，取Δh=15m，h1取20m，代入上面公式得H约为35m。

2.1.2 高抽巷与回风巷水平距离的确定

根据覆岩采动裂隙发育规律及工作面采空区漏风的特点，考虑到采空区靠近回风巷侧的瓦斯浓度相对较高，因此高抽巷布置在靠近回风巷侧时采空区及上隅角瓦斯抽采效果较好。高抽巷与回风巷水平距离S为：

S=H·cos(α-β)/sinα+Δs

(2)

式中，α为回风巷附近岩层断裂角，(°)；Δs为高抽巷位于裂缝带水平投影长度，m。

由现场数据可知：α=63°，β=9°，Δs一般为10～25m，取Δs=13m，H=35m，带入式(2)可得S约为40m。

2.2 高抽巷布置方案的确定

为确定高抽巷的合理空间层位，以理论计算所得结果为基础，给出5种方案，在相同抽采负压条件下，用FLUENT软件对高抽巷位于不同层位时的抽采效果进行模拟。为了研究在同一垂直距离条件下，在距离回风巷不同水平距离时高抽巷的抽采效果，选择层位1，2，3为相同垂直距离H=35m，高抽巷与回风巷不同水平距离S=35，40，45m 3种方案进行对比分析。为了研究在距离回风巷相同水平距离条件下，高抽巷在不同垂直距离时抽采效果，选择层位2，4，5为高抽巷与回风巷相同水平距离S=40m，高抽巷距离煤层顶板不同垂直距离H=35，30，40m 3种方案进行对比分析。5种方案高抽巷布置参数如下：

层位1：高抽巷与煤层顶板垂直距离35m，高抽巷与回风巷水平距离35m；层位2：高抽巷与煤层顶板垂直距离35m，高抽巷与回风巷水平距离40m；层位3：高抽巷与煤层顶板垂直距离35m，高抽巷与回风巷水平距离45m；层位4：高抽巷与煤层顶板垂直距离30m，高抽巷与回风巷水平距离40m；层位5：高抽巷与煤层顶板垂直距离40m，高抽巷与回风巷水平距离40m。

2.3 不同水平层位对抽采效果影响

通过FLUENT软件数值模拟计算分析，得到高抽巷分别在层位 1、层位2、层位3条件下瓦斯抽采效果，如图3、图4、图5所示(图中Z为距离煤层底板高度)，分析高抽巷瓦斯抽采效果，总结得到高抽巷与回风巷不同水平距离的瓦斯抽采效果，见表1。

图3 层位1的高抽巷采场瓦斯浓度分布

图4 层位2的高抽巷采场瓦斯浓度分布

图5 层位3的高抽巷采场瓦斯浓度分布

高抽巷层位抽采浓度上隅角浓度回风巷浓度136～390.5～0.80.6～0.9249～530.5～0.70.5～0.7339～411.0～1.20.9～1.1

对比分析表1数据可知，高抽巷位于层位2时的抽采浓度最高，达到49%～53%，上隅角的瓦斯浓度相对较低，其瓦斯浓度为0.5%～0.7%，回风巷瓦斯浓度较低，其瓦斯浓度为0.5%～0.7%，高抽巷抽采采空区及上隅角瓦斯效果较好，使得上隅角瓦斯浓度降低到合理范围内，保证了综放面安全高效生产。

2.4 不同垂直层位对抽采效果影响

通过FLUENT软件数值模拟计算分析，得到层位4、层位5条件下高抽巷瓦斯抽采效果图，如图6、图7所示(图中Z为距离煤层底板高度)，结合图4分析高抽巷瓦斯抽采效果，总结得到高抽巷与回风巷不同水平距离的瓦斯抽采效果，见表2。

图7 层位5的高抽巷采场瓦斯浓度分布

高抽巷层位抽采混合量/(m3·min-1)抽采浓度/%抽采纯量/(m3·min-1)上隅角浓度/%回风巷浓度/%215049～5373.5～79.50.5～0.70.5～0.7418029～3252.2～57.61.2～1.40.8～1.0510035～3835～380.9～1.10.7～0.9

对比分析表2数据可知，层位4(H=30m)时的高抽巷抽采量相对较大，但由于高抽巷与垮落带下部边界距离较小，导致漏风现象比较严重，高抽巷抽采浓度仅为29%～32%，抽采纯量为52.2～57.6m3/min，抽采纯度较低，瓦斯抽采效果较差；层位 5(H=40m)时的高抽巷瓦斯抽采浓度相对较高，但在相同负压条件下，由于抽采混合量比较小，导致抽采纯量相对较小，在层位2(H=35m)，高抽巷瓦斯抽采纯量高达73.5～79.5m3/min，上隅角的瓦斯浓度较低，回风巷瓦斯浓度也较低；因此，高抽巷布置在层位 2(H=35m)时的瓦斯抽采效果相对最好。

结合前面对高抽巷与回风巷不同水平距离瓦斯抽采效果的FLUENT数值模拟分析，确定高抽巷布置在层位2，即S=40m，H=35m。

3 工业性试验效果分析

对高抽巷布置在层位2(S=40m，H=35m)进行了现场试验，记录了高抽巷正常投入使用期间瓦斯抽采量及瓦斯涌出量，计算出高抽巷抽采瓦斯量占总涌出量的比例并绘制出如图8所示曲线图。由图8 可知，由于开切眼处应用了定向水力压裂技术，使得综放面基本顶初次垮落步距控制在15m以内，高抽巷端头掘进到距离开切眼15m停止。当工作面推进15m后，高抽巷开始发挥作用。随着工作面的进一步推进，高抽巷的瓦斯抽采浓度和抽采量不断增加，从高抽巷投入使用到3月18日为前期阶段，之后则为抽采稳定阶段，高抽巷瓦斯抽采纯量在17～27m3/min之间，平均22m3/min，瓦斯抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右。

图8 高抽巷抽采瓦斯量及所占总涌出量的比例

7603综放面回采期间绝对瓦斯涌出量、回风巷及上隅角瓦斯浓度变化情况如图9所示。由图9可知，高抽巷可以有效抽采工作面、采空区及围岩卸压涌出瓦斯，在正常生产期间回风巷瓦斯浓度在0.5%～0.6%范围内、上隅角瓦斯浓度在0.6%～0.8%范围内，瓦斯浓度能够控制在0.8%以内，保证了7603综放面正常安全高效生产。

图9 7603综放面绝对瓦斯涌出量、回风巷及上隅角瓦斯浓度变化情况

4 结 论

(1)通过理论计算得到高抽巷与煤层顶板垂直距离为35m，高抽巷与回风巷水平距离为40m。

(2)利用数值模拟对5种方案下瓦斯抽采效果进行分析，得到当高抽巷位于层位2时，即S=40m，H=35m时瓦斯抽采浓度最高，达到49%～53%，上隅角瓦斯浓度为0.5%～0.7%，回风巷瓦斯浓度为0.5%～0.7%，高抽巷瓦斯抽采纯量高达73.5～79.5m3/min，使得采空区及上隅角瓦斯浓度降低到合理范围内。

(3)对层位2进行了工业性试验，结果表明：在正常生产期间高抽巷瓦斯抽采率高达40%以上，回风巷瓦斯浓度在0.5%～0.6%范围内，上隅角瓦斯浓度在0.6%～0.8%范围内，瓦斯浓度能够控制在0.8%以内，保证了7603综放面正常安全高效生产。

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[责任编辑：李青]

中国核电联同神华等四企斥资10亿元设立中核河北核电

中国核电公告称，计划与神华集团等四企共斥资10亿元，设立中核河北核电，支持第四代核电技术行波堆的发展。

中国核电拟与神华集团、华电福新、浙能电力及建投能源共同设立新公司中核河北核电。其中，中国核电斥资最多，占比35%，即3.5亿元；神华占30%、华电福新占15%、浙能电力及建投能源则分别占10%。中国核电表示，新公司的设立符合国家京津冀协同发展的战略，有助于支持先进的行波堆技术落地及发展。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.9.21

AnalysisofDrainageEffectandReasonableHorizonofHighLevelSuctionRoadway

ZHANG Gen-zhu1，XU Jin-hai2，ZHANG Bing-bing1，SU Sai1

(1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

In order to solve the problem of gas transfinite frequently in fully mechanized coal mining face，goaf and upper corner，it taking 7603 fully mechanized coal mining face of Wuyang coal mine as engineering background，and gas drainage scheme of high level suction roadway was put forward，the vertical distance between high level suction roadway and coal seam roof was 35m was put forward after calculation，the horizontal distance to ventilation roadway was 40m，gas drainage effect of different five schemes were analyzed by numerical simulation，the gas drainage reached the best when high level suction roadway located in layer 2(S=40m，H=35m)，gas density in upper corner and ventilation roadway was 0.5%～0.7%；the industrial test showed that gas density were 0.5%～0.6% and 0.6%～0.8% in upper corner and ventilation roadway respectively during mining process，and it could be controlled less than 0.8%，safety and high efficient production of fully mechanized coal mining face was ensured，it references for similar situation.

high level suction roadway；spacial position；drainage effect；numerical simulation

TD712 6

A

1006-6225(2017)05-0092-04

2017-01-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.024

煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题(SKLCRSM11X02)

张跟柱(1993-)，男，安徽淮北人，硕士研究生，主要从事矿井瓦斯治理及巷道围岩控制方面的研究。

张跟柱，徐金海，张兵兵，等.高抽巷的合理空间层位及抽采效果分析[J].煤矿开采，2017，22(5)：92-95.