高抽巷层位精确定位及瓦斯治理技术

李 蕾 廉常军 邓照玉

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

1 概述

目前，我国很多矿区已经开展了高抽巷抽采技术及应用方面的研究，在淮南、阳泉、平顶山等矿区已经得到了广泛的应用，并在瓦斯治理方面取得了显著的成果[1]。然而，传统的高抽巷在层位选择时，一般采用公式或者数值模拟的方法计算出裂隙带的高度，然后依据经验或者工程类比的方式确定高抽巷的层位，往往导致高抽巷的层位定位不精确，严重的影响瓦斯抽放和工作面的治理效果。

2 矿井概况及瓦斯涌出量分析

2.1 矿井概况

表1 煤层及瓦斯基本参数

本次以云南某矿为研究对象，该矿井分布有24 层煤层，其中稳定可采煤层8 层，各可采煤层间分布数层不可采煤层，矿井目前主要开采一、二采区的M2、M7 煤层。M2 煤层已鉴定为突出煤层，M7 煤层作为M2 煤层的保护层，在M7 煤层回采过程中，上隅角瓦斯频繁超限，制约了矿井的安全高效生产。

2.2 瓦斯涌出量及分析

本次以120704 回采工作面为研究对象。首先采用分源预测法分析首采煤层瓦斯涌出量，经分析得出，本煤层以落煤和采空区的瓦斯涌出为主，瓦斯涌出量为7.32m3/min；以M2 煤层及上部不可采煤层的瓦斯涌出为主的上邻近层瓦斯涌出量为7.87m3/min；以下邻近层瓦斯涌出量为主的瓦斯涌出为0.96m3/min。

通过瓦斯涌出量分析可知，本次瓦斯治理的重点是本煤层的瓦斯涌出和上邻近层的瓦斯涌出。可以采用在M7 煤层上覆岩层的裂隙带内布置高抽巷的方式拦截上临近层的瓦斯涌出，并能够起到抽采本煤层瓦斯的作用。

3 采空区上覆岩层“三带”分析

3.1 采空区上方“三带”划分

如图1 所示，采空区煤层上方通常分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带介质较松散，其孔隙较大，成为主要的采空区流场；裂隙带为瓦斯流动的通道，是高浓度瓦斯的聚集区，如果裂隙带中的瓦斯没有采取任何抽放措施，那么大量瓦斯会进入冒落带，进而涌向回采工作面。影响矿井的安全生产。为此，采用在M7 煤层上覆岩层的裂隙带内布置高抽巷的方式解决瓦斯频繁超限问题。

图1 采空区“三带”图

3.2 基于FLAC3D 数值模拟的上覆岩层运移规律

采用有限元数值模拟软件FLAC3D 进行模拟研究采空区上覆岩层“三带”的分布情况，根据煤层柱状图建立模型，本次数值模型的尺寸为X×Y×Z=198m×180m×90m，工作面长110m，沿Y 方向推进，180m，两侧巷宽4m，各留40m 的实体煤柱，模型在Z 方向留设长度为90m，其中，底板留设10m 岩层，煤层厚度为1.6m，上覆岩层总厚度为78.4m。模型如图2 所示。

图2 FLAC 3D 数值模型

通过数值模拟分析，通过截取采空区后方距离工作面不同距离的弹塑性破坏情况切片图，得到如图3 所示的一组弹塑性破坏区分布图。通过分析可以得出表2 所示的采空区后方上覆岩层的运移变化情况。那么，采空区后方上覆岩层裂隙带的高度为21.9m～55.2m。

图3 采空区后方弹塑性破坏区

表2 采空区后方上覆岩层的运移变化表

4 基于RNG k-ε 模型的数值模拟分析

4.1 RNG k-ε 模型的建立

k-ε 模型是ANSYS FLUENT 数值模拟软件中自带的湍流模型。主要包括标准k-ε 模型和RNG k-ε 模型。相比于标准的k-ε 模型，RNG k-ε 模型具有精度高、考虑了低雷诺数情况下的粘性流动、考虑了湍流漩涡等情况。更适合采空区的流场[5-6]。

图4 采空区数值模型

通过上一节可知，裂隙带的高度范围为21.9m～55.2m。M2煤层位于M7 煤层上方48m 处，M2 煤层位于裂隙带中，M2 煤层的瓦斯会在回采过程中大量涌入回采工作面。根据裂隙带的高度和上组煤层的位置，本次数值模拟高抽巷选取3 个不同的垂直位置，分别为煤层上方26m、34m 和42m 的位置。

建立ANSYS FLUENT 数值模型，模型沿走向长230m，沿倾向长118m，两侧进回风巷长宽高为20×4×3m，高抽巷的长宽高为20×3×2.5m，瓦斯涌出来源主要为：采煤工作面，采空区和上邻近层。模拟过程中主要记录回风巷和高抽巷的瓦斯浓度和风流流速。

4.2 RNG k-ε 模型数值模拟结果分析

根据高抽巷不同垂距下的数值模拟结果，通过数值模拟中对高抽巷瓦斯浓度和风流流速的监测结果，计算出不同垂距下高抽巷的抽采纯量和抽采混量，如表2 所示，当垂距为42m 时，瓦斯抽采混量小，浓度高，抽采纯量较小；当垂距为26m 时，瓦斯抽采混量高，浓度低，抽采纯量小；当垂距为34m 时，瓦斯抽采纯量最大。

图5 不同层位高抽巷抽采效果模拟结果

表3 不同垂距高抽巷抽采效果表

通过对不同垂距高抽巷抽采后上隅角瓦斯浓度的监测，如表3 所示，随着高抽巷垂距的逐渐增大，上隅角瓦斯也呈现出逐渐增大的趋势，当高抽巷位于煤层上方34m 时，工作面上隅角瓦斯浓度能够得到有效的控制，最大瓦斯浓度为0.75%。综上所述，该矿高抽巷最佳位置为煤层上方34m 处。

5 现场工业试验

根据上文确定的高抽巷层位，在该矿井120704 回采工作面上方34m 处布置高抽巷。为了有效的解决M2 煤层的瓦斯问题，该高抽巷兼作M2 煤层的底抽巷，向M2 煤层施工上向网格式穿层钻孔，钻孔见煤处间排距为7m。穿过煤层后向顶板穿岩长度1m，如图6 所示。

图6 120704 回采工作面高抽巷布置图

采用该高抽巷布置以后，120704 回采工作面在回采过程中，上隅角瓦斯得到了有效的控制，上隅角最大瓦斯浓度为0.71%，120704 回风巷在落煤期间最大瓦斯浓度小于0.65%，没有出现过瓦斯超限现象。通过合理的布置高抽巷的层位，为该工作面安全高效回采提供了保障。并且M2 煤层在M7 煤层开采后消除了M2 煤层的突出危险性。

6 结论

6.1 通过FLAC3D 数值模拟确定了裂隙带的高度。通过RNG k-ε 模型对高抽巷瓦斯抽采情况和上隅角瓦斯浓度的模拟研究，进而精确定位了高抽巷的合理层位。

6.2 通过高抽巷的精确定位，有效治理了上隅角瓦斯超限问题。

6.3 对周边矿井及类似矿井的瓦斯治理具有一定的借鉴意义。