清城煤矿低位抽采巷合理位置及抽采效果研究

付向东

(山西圣天宝地清城煤矿有限公司,山西 阳泉 045000)

1 工程概况

山西圣天宝地清城煤矿有限公司所处位置地形沟谷纵横,盖山厚度平均为256～385 m.15107工作面北部以山西某煤矿为界, 西部为已采的15109工作面,东部为设计的15105工作面,南部为15号煤采区巷道。煤层普氏系数为2.0,级别为Ⅵ级。该矿2012年度矿井绝对瓦斯涌出量为63.85 m3/min,相对瓦斯涌出量为26.7 m3/min,鉴定为高瓦斯矿井。15107工作面进风巷、回风巷、切巷均布置在15号煤下分层中,低位抽采巷沿15号煤层顶板平行于回风巷布置,高抽巷沿11号煤顶板布置。15号煤层直接顶为深灰色石灰岩K2,平均厚度为2.6 m,基本顶为泥岩、深灰色石灰岩组合岩层,平均厚度为7.8 m.15107综放工作面采用一进一回U型通风系统,运输巷作为进风巷,回风巷作为回风巷,预计绝对瓦斯涌出量52.5 m3/min.低位抽采巷敷设单趟D800 mm瓦斯抽放路管解决工作面回风、上隅角瓦斯;高位抽采巷距15号煤层间距平均62 m,敷设单趟D529 mm瓦斯抽放管解决工作面采空区和邻近层瓦斯。为解决上隅角瓦斯超限问题,对低位抽放巷合理层位展开研究。

2 低位抽放巷布置层位分析

顶板压力变化产生的裂隙、缝隙为瓦斯运移提供通道,对于“U”型通风,煤岩体内解吸的瓦斯沿工作面倾向移动,在上隅角汇集,引起工作面回风及上隅角瓦斯体积分数超标。低位抽采巷方向与回风巷平行,随着采空区顶板的垮落而垮落,使其与采空区一直具有足够的贯通面积,抽采负压作用下将采空区高浓度瓦斯由低抽巷排出,减小采空区瓦斯向工作面上隅角及回风流的涌出量。采空区覆岩可分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带,其中垮落带裂隙发育、贯通最好,为瓦斯流动提供诸多通道,将底抽巷布置在该层位最合适。放顶煤开采条件下,垮落带计算公式为[1]:

(1)

式中:M为垮落带高度,m;h为煤层厚度,15107工作面为6.85～7.30 m,均厚7.24 m;h1为采空区遗煤所充填的厚度,h1=h(1-c)km,c为采出率,放顶煤采出率取95%;km为煤层碎胀系数,取1.15;kp为岩层碎胀系数,取1.25.煤层均厚7.24 m时,15107工作面垮落带高度为27.3 m.

低抽巷在平面上布置在靠近回风巷一侧,与回风巷水平距离为L,根据工作面倾角及覆岩垮落角的三角关系可进行低抽巷合理水平位置的分析,如图1所示。

图1 垮落带边界计算示意

低抽巷最大布置高度h1与水平距离L的关系为[2]:

h1=L[tan(β-α)+tanα];

式中:α为煤层倾角,取8°;β为采空区覆岩垮落角,取65°;h为垮落岩层高度,为垮落带高度减去煤层厚度,取20.06 m.通过上式可求得,当0

3 低位抽放巷合理层位模拟研究

3.1 数值模型建立

结合清城煤矿15107综放工作面现场实际情况,应用FLUENT 软件建立物理模型,如图2所示[3-4]。采用标准的“U”型通风方式,模型由采空区和进风巷、回风巷及回采面组成,采空区长、宽、高分别为200 m、100 m、40 m,回采面、进风巷及回风巷的宽、高相同,分别为5 m、3 m,两侧巷道长度为25 m,低位抽放巷长、宽、高分别为20 m、4.5 m、3 m,巷道及回采面空间设置为自由流动空间,应用湍流模型中的k-epsilon进行计算,采空区空间设置为多孔介质空间,采空区瓦斯总源项为 1.35×10-5kg/(m3·s),进风巷作为风流入口,回风巷风流为出口,其他边界设为墙体,进风口风流流量为800 m3/min.

图2 采空区几何模型示意

3.2 模拟结果

首先进行无低位抽放巷条件下的模拟分析,得到采空区瓦斯体积分数分布立体示意图,如图3所示。竖直方向而言,采空区底部(A点)瓦斯体积分数较低,为0%～5%;随着高度的增大,瓦斯体积分数逐渐升高,在采空区顶部(B点)瓦斯体积分数达到45%～54%,表明瓦斯通过采空区裂隙向上运移,符合瓦斯运移规律。沿水平方向而言,进风巷一侧瓦斯体积分数低于回风巷一侧瓦斯体积分数,采空区浅部瓦斯体积分数小于采空区深部瓦斯体积分数,这是由于工作面向采空区内漏风所致,与实际情况相符。综上,表明所建模型可靠。在无低抽巷条件下,工作面上隅角瓦斯体积分数达到5%,达到瓦斯严重超限浓度,表明了采用低抽巷的必要性。

图3 采空区瓦斯浓度分布立体图

3.3 低位抽采巷合理位置分析

参照理论分析计算得到的低抽巷合理位置,设计低抽巷与煤层顶部垂距分别为5 m、7 m、9 m,距回风巷距离为1～7 m、9 m、20 m、30 m,共进行30次加入低抽巷的模拟计算,在工作面上隅角设置监测点监测其瓦斯体积分数,测点距顶板、巷道侧壁各200 mm,在低抽巷端头处设置瓦斯流量监测断面,由此得到各方案条件下上隅角瓦斯体积分数及低抽巷纯瓦斯流量,如图4所示。

图4 低位抽采巷不同位置条件下瓦斯体积分数模拟结果

由图4(a)分析可知,加入低位抽采巷后,上隅角瓦斯体积分数最大为0.65%,对于上隅角瓦斯治理效果非常明显。在垂距一定情况下,上隅角瓦斯体积分数随着内错距离增大的变化趋势为先降低后升高,内错距离为4～7 m时,上隅角瓦斯体积分数最低;在内错距离不变的情况下,随着垂距的增大,上隅角瓦斯体积分数逐渐增大,主要由于垂距过高时无法对低层位瓦斯涌入工作面起到拦截作用,因此垂距不易过大;由图4(b)分析可知,低抽巷内纯瓦斯流量随着内错距离的增大呈现先增大后减小的趋势,内错距离为6～7 m时达到峰值,随着垂距的增大,瓦斯纯流量逐渐增大,瓦斯升浮效应作用导致层位越高抽采瓦斯纯量越大。综合考虑上隅角瓦斯浓度治理和抽采瓦斯纯量,确定低抽巷合理层位为距煤层顶板7 m,内错回风巷6 m.

4 巷道矿压观测结果及分析

结合前面研究结果,设计清城煤矿15107综放工作面低抽巷沿泥岩基本顶掘进施工,与煤层顶面垂距为7.1 m、内错回风巷6.0 m布置。掘进施工完成后,在距巷道开口10 m处施工密闭墙,低抽巷开口与密闭墙之间存在10 m盲巷。工作面回采早期的30 d,对上隅角瓦斯体积分数及低抽巷抽采瓦斯纯量进行监测,结果如图5所示。

图5 低位抽采巷抽采效果现场实测结果

可以看出,早期抽采效果不佳,主要是由于回采初期,采空区覆岩内裂隙发育较差,采空区瓦斯上浮运动较少,且一部分逸散至工作面,导致上隅角瓦斯体积分数较高且抽采纯量较小;在工作面回采10 d后,采空区顶板内大裂隙逐渐产生,抽采纯量逐渐增大,在进入正常抽采阶段后,抽采瓦斯纯量均值达到34.7 m3/min,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.42%～0.49%,抽采效果良好,解决了上隅角瓦斯体积分数超限问题。

5 结 语

结合清城煤矿15107综放工作面顶板岩层岩性及厚度等具体情况,应用Fluent 软件模拟研究,确定低抽巷与煤层顶面垂距为7 m、内错回风巷距离为6～7 m.实践表明:工作面回采期间正常抽采阶段,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.42%～0.49%,低抽巷抽采瓦斯纯量达34.7 m3/min,取得了明显的瓦斯治理效果,解决了上隅角瓦斯超限问题,可为相似工作面的瓦斯治理提供借鉴。