浅谈王庄煤矿高抽巷布置的参数优化

刘志成

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

高抽巷是降低工作面回采过程中瓦斯浓度最为有效的手段，在高瓦斯矿井生产中得到广泛应用，其原理是在回采工作面顶板中，与回采工作面保持一定垂高、与回风巷相对平行且保持一定水平距离，沿工作面走向布置的抽放瓦斯通道[1-2]。煤层采动后，采空区上覆岩层会因原有应力遭到破坏，在垂直方向由下至上形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，垮落带和断裂带统称为裂隙带[3-4]。裂隙带的存在为采空区瓦斯运移和储存提供了通道和空间，也为高抽巷抽放瓦斯创造了条件，所以按照高抽巷工作原理，高抽巷一般布置在顶板裂隙带内，并且基于裂隙带瓦斯积聚位置选择高抽巷的最佳布置层位，即高抽巷布置的参数优化[3]。高抽巷在王庄煤矿生产中的应用，极大降低了瓦斯事故的发生，提高了工作面安全回采效率，对矿井的安全高效生产具有重要意义。根据王庄煤矿已有开采经验，高抽巷适宜布设层位为高度与采高比2～8，即适宜高度为13～52 m，但范围太广，为了进一步确定高抽巷的最佳适宜位置，本文基于Fluent 软件对高抽巷的参数进行分析和优化选择。

1 研究区概况

本文以王庄煤矿9105工作面为研究对象，对高抽巷参数进行优化设计，以及高抽巷影响下采空区瓦斯分布规律进行探讨分析，以期为王庄煤矿的高瓦斯抽采提供技术支撑。9105工作面位于王庄煤矿+540 m水平91采区，主采二叠系山西组3号煤层，工作面标高377～522 m，煤层普氏系数f=1～3，平均煤厚6.5 m，煤层倾角2～12°，可采储量1 000万t，采用综采放顶煤一次采全高采煤工艺，采放比1∶1.17，工作面设计回采长度3 432 m，切眼长度340 m，采用全锚网支护， 是王庄煤矿首个超大型回采工作面，也是王庄煤矿未来发展衔接的重要工作面。按照工作面日产量9 000 t计算，开采层瓦斯涌出量34.04 m3/min，邻近层瓦斯涌出量3.46 m3/min，采空区绝对瓦斯涌出量约为37.50 m3/min，为了消除瓦斯影响，采用U+高抽巷通风系统，并设置上隅角埋管、顺层钻孔辅助瓦斯抽放。

2 高抽巷距离采空区底板的最佳垂直距离确定

在高抽巷与回风巷水平距离相同条件下(选择平距为20 m)，基于Fluent 软件模拟高抽巷距离采空区底板垂高15 m、22 m、25 m、32 m、39 m的瓦斯抽放效果。结果见表1和图1。

表1 距离采空区底板垂直距离变化时瓦斯抽采效果分析[5]

图1 高抽巷距离采空区底板位置变化时瓦斯抽采效果分析

1) 高抽巷与回风巷水平距离20 m情况下，高抽巷与采空区底板垂距15～25 m范围内，高抽巷抽采瓦斯纯量呈现逐渐递增趋势，而25～39 m区间内，抽采纯量呈现递减趋势，并且递减速度较快。

2) 高抽巷与回风巷水平距离保持20 m不变情况下，随着高抽巷与采空区底板垂距的不断增大，高抽巷抽采瓦斯浓度呈现递增趋势，但递增速率随着垂距的增大而降低。

3) 随着垂高增加，工作面上隅角瓦斯浓度不断增大，这是由于随着垂高增加，地层破坏程度逐渐递减，形成的采空区瓦斯渗透率逐渐递减，高抽巷对上隅角内积存的瓦斯控制程度下降。

综上所述，高抽巷距离采空区底板的垂直距离为25 m 时，高抽巷抽采瓦斯纯量最大，为16.74 m3/min，按照高抽巷设计理念，其目的在于尽可能多的抽放采空区瓦斯，减少上隅角瓦斯涌出量。所以，根据这一原则，确定高抽巷距离采空区底板最佳垂高为25 m，此时上隅角瓦斯浓度为0.73%。按照模拟结果，高抽巷距离采空区底板垂高为25 m，根据9105已有顶底板综合柱状图看出，煤层底板到31号细砂岩底板的垂直距离是 21.97 m，为了保证高抽巷在细砂岩内掘进，9105 工作面煤层厚度6.5 m，可知高抽巷距离煤层顶板的距离是15.47 m，由于岩层和煤层厚度变化，实际高抽巷布置在煤层顶板10～15 m垂距范围内。

3 高抽巷距离回风巷的最佳水平距离确定

根据上述模拟分析，高抽巷与采空区底板垂高25 m左右位置，高抽巷抽放瓦斯效果最佳，为此选择在高抽巷与采空区顶板垂高25 m不变的条件下，模拟距离回风巷水平距离10 m、15 m、20 m、25 m、30 m时的高抽巷瓦斯抽采效果，结果见表2和图2。

表2 距离回风巷不同水平距离瓦斯抽采效果分析[5]

图2 距离回风巷不同水平距离时瓦斯抽采效果分析

1) 在垂直距离25 m保持不变的情况下，高抽巷距离回风巷水平距离10～30 m范围内，高抽巷抽采瓦斯纯量随着距离增加呈现先递增后递减的规律，在15 m处抽采瓦斯纯量达到最大值16.74 m3/min，高抽巷距离回风巷水平距离为30 m处抽采纯量最少为14.53 m3/min。

2) 水平距离逐渐增大的情况下，高抽巷的抽采瓦斯混量逐渐增加，但15 m后增加趋势不明显。

3) 同样情况下，抽采瓦斯浓度也呈现先递增后递减的规律，在水平距离15 m时达到最大值。但上隅角瓦斯浓度随着水平距离的增大，呈现递增趋势。

综上所述，在垂距保持25 m不变的情况下，高抽巷距离回风巷的水平距离为 15 m时，抽采瓦斯纯量和抽采瓦斯浓度都达到最大值，分别为16.74 m3/min 和 13.20%。根据高抽巷设计理念和设计目的，确定高抽巷距离回风巷的水平距离为15 m，此时上隅角瓦斯浓度为0.73%。在掘进过程中，应当考虑高抽巷的掘进对回风巷应力变化的影响，所以最终选择高抽巷距离回风巷实际水平距离为12～16 m。

4 9105工作面高抽巷抽采效果分析

通过对王庄矿 9105 工作面高抽巷、风巷2016 -2018年8月份瓦斯抽采数据整理分析，高抽巷最低抽采瓦斯浓度是8.4%，最高抽采瓦斯浓度是15.6%，平均抽采瓦斯浓度是12.2%，上隅角瓦斯平均浓度是0.69%，回风流每日瓦斯浓度平均值0.6%，最大值0.75%，无瓦斯超限现象。而对应数值模拟王庄矿 9105 工作面高抽巷在最佳位置抽采时的瓦斯抽采浓度是13.20%，上隅角瓦斯浓度是0.73%。由此可知数值模拟结果与现场数据基本吻合，从而验证了数值模拟方法和结果的可靠性。