瓦斯排放带宽度相关参数测试及其数值模拟分析

2019-03-28孙志国

山西化工 2019年1期

孙志国

(山西汾西矿业集团水峪煤业，山西孝义 032300)

引言

生产经验表明，卸压带宽度的大小，对煤与瓦斯突出的发生有较大影响。煤与瓦斯突出危险性预测，实际上是对工作面前方一定范围内的瓦斯压力和应力进行检测，看是否存在有高压瓦斯源或应力集中区，进而根据卸压带宽度，判断卸压带是否可以阻止突出的发生。这是由于，卸压带可以控制煤体中瓦斯内能和弹性能的释放[1-3]。一般情况下，卸压带宽度较小时，煤体应力集中带就离工作面较近，瓦斯压力梯度就较大，就较可能发生煤与瓦斯突出；反之，如果卸压带宽度足够大，工作面前方即使存在有急剧的应力集中或高压瓦斯源，也不会发生瓦斯突出。目前，钻孔瓦斯排放、深孔松动爆破、煤层注水等局部防突措施，就是通过人为地扩大卸压带的范围，来实现防止突出的目的[4-5]。目前，煤矿企业主要是通过直接测定突出危险性预测指标判断煤矿突出危险，而预测指标测试结果的准确性很大程度上取决于取样的深度。因此，为了确定合理的取样深度，准确进行煤层突出危险性预测，必须对巷帮煤体瓦斯排放带宽度展开研究。

1 矿井概况

1.1 煤层赋存

井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，可采煤层为山西组3号煤层和太原组15号煤层，其中，3号和15号煤层为采矿许可证批准开采的煤层。

1) 3号煤层

赋存于山西组下部，上距K8砂岩26.55 m左右。为该矿现在开采煤层。煤层厚度3.20 m～6.64 m，平均4.96 m，为井田稳定可采煤层。多含有0层～2层夹矸，夹矸厚度10 cm～40 cm不等。煤层直接顶板为泥岩或粉砂质泥岩，伪顶为炭质泥岩，底板为泥岩或粉砂质泥岩。

2) 15号煤层

位于太原组下部，直伏于K2石灰岩之下，与3号煤层平均间距87.83 m左右。煤层厚度2.84 m～3.87 m，平均3.37 m，为井田稳定可采煤层。煤层结构简单，含0层～1层夹矸，夹矸厚度0 cm～56 cm不等。煤层直接顶板为K2石灰岩，层位稳定厚度大，底板为泥岩或粉砂质泥岩。

1.2 开拓方式与瓦斯涌出

1) 开拓方式

矿井采用混合开拓方式，布置有主斜井、副斜井、进风立井、回风立井4个井筒。全矿井划分为2个采区，一采区采用一次采全高的采煤方法，二采区采用分层开采。矿井采用全部垮落法管理顶板。

矿井设计采用2个水平开采3号、15号煤层，一水平标高+596.48 m，开采3号煤层，该水平布置3条大巷：中央轨道运输大巷、中央胶带运输大巷和中央回风大巷；二水平标高+512 m，开采15号煤层，该水平布置3条大巷：胶带运输大巷、轨道大巷和回风大巷。

2) 瓦斯涌出情况

矿井采用机械抽出式通风方法，通风方式为中央分列式，其中，主、副斜井和进风立井进风，回风立井回风。回风立井安装2台FBCDZ-8-No26B型对旋轴流式通风机，一台工作，一台备用。

经对3号煤层的煤与瓦斯突出危险性鉴定，伏岩煤业在+480 m以浅无煤与瓦斯突出危险，矿井属于高瓦斯矿井。

2 试验地点概况

结合矿井实际情况，选定北胶带大巷和3103运输顺槽为试验地点，试验地点布置见图1。

图1 试验地点布置图

1) 北胶带大巷概况。北胶带大巷布置于3号煤层中，巷宽4.5 m，巷高5.0 m。根据煤层埋深资料，北胶带大巷埋深350 m～401 m。煤层总厚度4.96 m，煤层倾角1°～8°。工作面掘进范围内无断层、冲蚀带、陷落柱及火成岩，对掘进作业无影响。工作面基本顶为深灰色粉砂质泥岩，厚度9.24 m；直接顶为深灰色泥岩，厚度3.68 m；底板为灰黑色泥岩，厚度3.0 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通风机压入式供风。

2) 3013运输顺槽概况。3013运输顺槽沿3号煤层顶板掘进，巷宽4.5 m，巷高2.7 m。根据煤层埋深资料，3013运输顺槽埋深310 m～335 m。煤层总厚度4.5 m，煤层倾角1°～8°。工作面掘进范围内无断层、冲蚀带、陷落柱及火成岩，对掘进作业无影响。工作面基本顶为深灰色粉砂质泥岩，厚度9.16 m；直接顶为深灰色泥岩，厚3.73 m；底板为灰黑色泥岩，厚度3.11 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通风机压入式供风。

3 瓦斯排放带宽度数值模拟

根据实测试验地点的瓦斯参数，并结合瓦斯流动理论，可以利用数值模拟软件对巷帮煤体瓦斯排放带宽度进行模拟，得出排放带宽度数值，用于确定瓦斯含量实测时测试钻孔的深度；也可以对不具备试验条件的情况进行模拟，得出相应的瓦斯排放带宽度，为排放带宽度计算方法的建立提供数据基础。本文选择使用Comsol Multiphysics数值分析软件来进行数值模拟。

3.1 瓦斯压力、巷道断面积相同，透气性系数不同

设定原始瓦斯压力为1.7 MPa，巷道断面积22.5 m2，当煤层透气性系数分别为0.1、0.3、0.5、1.0 m2/(MPa2·d)时，对应的数值模拟结果如图2所示。

图2 变煤层透气性系数条件下，瓦斯压力随距煤壁表面距离变化关系图

由模拟结果可知，当瓦斯压力、巷道断面积及暴露时间相同时，随着透气性系数的增大，相对应的瓦斯排放带宽度也不断增大。以暴露时间为200 d时模拟结果来看，煤层透气性系数为0.1 m2/(MPa2·d) 时，相应巷帮瓦斯排放带宽度为21 m；透气性系数为0.3 m2/(MPa2·d)时，相应瓦斯排放带宽度为25 m；透气性系数为0.5 m2/(MPa2·d)时，相应瓦斯排放带宽度为29 m；透气性系数为1.0 m2/(MPa2·d)时，相应瓦斯排放带宽度约为38 m。根据所做模拟实验来看，当煤层透气性系数更大值时，相对应的瓦斯排放带宽度更大。可见，在其他条件相同时，透气性系数增大，则相应的瓦斯排放带宽度增大；透气性系数相同时，随着暴露时间的延长，瓦斯压力变化梯度逐渐变小。模拟结果统计见表1。

表1 不同透气性系数下模拟结果

3.2 透气性系数、巷道断面积相同，瓦斯压力不同

设定煤层透气性系数为0.3 m2/(MPa2·d)，巷道断面积22.5 m2，当原始瓦斯压力分别为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时，对应的数值模拟结果见图3。

图3 变原始瓦斯压力条件下，瓦斯压力随距煤壁表面距离变化关系图

由模拟结果可知，当煤层透气性系数、巷道断面积及暴露时间相同时，随着原始瓦斯压力的增大，相对应的瓦斯排放带宽度也不断增大。以暴露时间为200 d时模拟结果来看，当瓦斯压力为0.5 MPa时，相应巷帮瓦斯排放带宽度为12 m；当瓦斯压力为1.0 MPa时，相应巷帮瓦斯排放带宽度为20 m；当瓦斯压力为1.5 MPa时，相应巷帮瓦斯排放带宽度为24 m；当瓦斯压力为2.0 MPa时，相应巷帮瓦斯排放带宽度为29 m。可见，在其他条件相同时，原始瓦斯压力增大，则相应的瓦斯排放带宽度增大；原始瓦斯压力也相同时，随着暴露时间的延长，瓦斯压力变化梯度逐渐变小。模拟结果统计见表2。