顶抽巷层位设计与优化顶抽巷参数研究

2023-11-10王宜康赵丽娟侯均洪吕媛媛李征祥

山西大同大学学报(自然科学版) 2023年5期

王宜康，赵丽娟*，侯均洪，吕媛媛，李征祥，李迎

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037009；2.重庆一三六地质队，重庆 401147）

瓦斯灾害是煤矿安全生产中最严重的灾害之一[1]。结合同忻矿瓦斯治理经验，顶抽巷抽采是该矿瓦斯治理的主要手段，但是其顶抽巷层位基本是沿着煤层顶板进行掘进，水平内错距离一般为15～20 m，经过多年的实践，顶抽巷瓦斯抽采浓度不到1%，无法达到完全抽采的目的[2-4]。因此，合理布置顶抽巷层位，优化顶抽巷参数是当前将同忻矿急需解决的问题。

1 现场概况

同忻矿8201 综放工作面位于该矿二盘区，所开采的煤层是石炭二叠纪的3-5#煤层。工作面尺寸在走向方向长2 138 m，在倾向方向长217.4 m。煤层最薄处2.31 m，煤层最厚处23.42 m，平均煤层厚度达14.09 m，采用的开采技术为综放顶煤开采。8201 工作面的西部与8202 工作面的采空区相连，东部为实煤区，南部为三条盘曲大巷，北部为西8101工作面的采空区。煤层倾角3°～11°。工作面瓦斯含量约2.5～3.0 m3/t。

近年来，随着开采范围不断扩大，采空区区域也不断加大，有害气体向工作面上隅角涌出的现象频繁出现，顶抽巷不能有效截流采空区中有害气体涌向工作面，因此，为提高顶抽巷抽采效果，有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题，提出优化顶抽巷布置层位方法，具有重要的实际意义[5]

2 瓦斯涌出来源分析方法和估算

为了更好的预防井下瓦斯事故的发生，做好矿山安全防治工作，需要对综采工作面的瓦斯涌出量进行预测和分析[6]，通过对综采工作面的瓦斯来源和瓦斯涌出量进行分析和基本估算，可以大致掌握井下瓦斯的基本信息，有助于对矿井通风系统进行优化设计，使得井下瓦斯的防治效果更加有效。

2.1 分源预测法

同忻矿回采工作面采空区的瓦斯涌出量，可依照塔山煤矿已取得的成果计算。瓦斯涌出量预测报告中仅计算了同忻煤矿回采工作面的瓦斯涌出量构成比例，本设计依据特厚煤层综放工作面瓦斯涌出规律及瓦斯涌出量预测报告。回采工作面采空区的瓦斯涌出量及构成比例计算公式为：

式中：Q空为采空区瓦斯涌出量，m3/t；q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；λ为工作面放煤比例；取0.76；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

8201 工作面位于同忻矿二盘区，假设3-5#煤层北一盘区回采工作面相对瓦斯涌出量为3.44 m3/t，其中本煤层相对瓦斯涌出量为2.2 m3/t，邻近层相对瓦斯涌出量为1.24 m3/t。由式（1）计算得出，采空区相对瓦斯涌出量为2.33 m3/t，采空区瓦斯涌出量约占8201综放面瓦斯总涌出量的68%。

2.2 现场实测法

对8201工作面的非来压期、初次来压期、周期来压期间，分别进行瓦斯浓度的测定。在工作面上部布置检测点，从煤壁到采空区一共布置三组测点，其中相邻两组测点直接的距离为6 m，其中一组测点的布置情况如图1[7]。将测得的数据处理过后，按照从左往右序号依次增大得到的结果如图2，于是可得出煤壁和采空区所涌出瓦斯量在工作面整体风流里面所占的比例。计算公式为：

图1 瓦斯测量点位置示意图

图2 回风侧横截面瓦斯浓度分布图

式中：k为采空区向工作面涌出瓦斯占工作面瓦斯总涌出量比例，%；C1为煤壁线到工作面测点最低趋势点的瓦斯浓度，%；L1为煤壁线到工作面测点最低趋势点的距离，m；C2为放顶线到工作面测点最低趋势点的瓦斯浓度，%；L2为放顶线到工作面测点最低趋势点的距离，m[8]。

经计算，最终得到采空区向工作面涌出的瓦斯占工作面瓦斯总涌出量的比例：非来压期间72.83%，初次来压期间78.65%，周期来压期间79.67%。

3 顶抽巷层位理论计算

为进一步分析顶抽巷瓦斯抽采效果受到顶抽巷的层位布置以及顶抽巷与煤层顶板的垂直距离等因素的影响，需要确定顶抽巷的抽采层位以及顶抽巷垂距，如图3。为方便分析，顶抽巷布置的俯视图如图4。

图3 顶抽巷水平位置示意图

图4 顶抽巷布置俯视图

由图3 可以得出顶抽巷距离回风巷水平投影长度为：

式中：L为卸压区距回风巷水平投影长度，m；ΔL为保证顶抽巷充分卸压同时位于采动裂隙带因偏移卸压带水平投影长度，m。

式中：H为顶抽巷距煤层顶板垂直距离，m；α为煤层倾角；β为顶板岩石卸压角。

顶抽巷要完全落在采动裂隙带中避开压实区，则顶抽巷距回风巷的水平投影距离s满足：

式中：X为采煤工作面倾向长度，m。

顶抽巷距煤层顶板垂直距离为：

式中：H0为冒落带高度，m。

在8201 工作面推进过后，其结构如图5，其中A岩块尚未断裂，低位关键层形成悬臂梁结构，悬臂梁下易造成瓦斯积聚。通过分析计算，将顶抽巷的层位选择在低位关键层下方，顶抽巷距煤层顶板垂直距离H在16～20 m 之间，可以及时排放出高浓度瓦斯。

图5 8201面回采后端部结构

在后续工作面顶板抽放巷掘进期间，考虑到地质条件及掘进速度等因素影响，抽放巷与煤层顶板垂直方向间距应在12～28 m范围之间。通过工作面回采期间现场瓦斯浓度数据统计，与相应推进位置的抽放巷的层位对比分析可知，将顶抽巷的层位选择在低位关键层下方，且垂距参数H为20 m 时，抽放效果最佳，如图6。

图6 顶板抽放巷纵向剖面示意图

4 顶抽巷层位与抽采效果数值模拟

4.1 模型的建立

根据同忻矿8201 工作面的实际情况，并对其进行一定的简化，使用Gambit建模软件进行建模，得到采空区及顶抽巷物理模型如图7。

图7 8201工作面、采空区及顶抽巷物理模型

基于同忻矿8201 工作面的煤层倾角为1°～3°之间，属于近水平煤层，为了使建模方便，这里取煤层倾角为0°。由于井下环境复杂，采空区为多孔介质区域，而工作面、顶抽巷、进风巷和回风巷为流体区域，所以使用UDF函数对多孔介质区域的渗透率自行定义，使得多孔介质区域的渗漏率沿着走向方向，远离工作面时降低，接近工作面时升高；页在倾向上，使得渗透率在上顺槽和下顺槽时高，向中心延展时不断降低。

基于采空区顶抽巷的现实情况分析，在模拟过程中，顶抽巷会出现三种不同的形态（即巷道基本保存完整；巷道已经产生了变形；巷道已经充分冒落，但依然受到顶抽巷的影响），故在设置渗透率时会比较复杂。为了实验的顺利进行，将其进行简化处理，使得顶抽巷深入采空区的一部分也看作多孔介质区域，并且使用UDF函数，将其渗透率大小设定为比采空区冒落岩石渗透率大。但由于顶抽巷和采空区的空间属性不同，容易产生气体紊乱，于是对模型简化，如图8，其尺寸见表1。该模型的流体空间主要是由两部分组成，分别为工作面的紊流和采空区的渗流；模型成立需要几何参数、抽采参数和瓦斯渗流参数等。

表1 8201 工作面物理模型尺寸表/m

图8 8201工作面、顶抽巷及采空区简化物理模型

需要说明的是，在建模的过程中，进风巷和回风巷的宽度、高度，工作面的倾向长度、宽度、高度，都基本符合矿井的实际长度。但在设定进风巷和回风巷的长度时，为了方便计算，仅仅截取了靠近工作面一侧30 m 的巷道，并且为了有效模拟顶抽巷的抽采效果，将采空区围岩高度设为80 m，并且将采空区沿着工作面前进方向上截取200 m作为研究对象。

本次数值模拟研究的基本假设条件主要有：①采空区内冒落的岩石渗透率在一定时间内恒定；②采空区多孔介质的渗透率不随时间改变；③采空区内的瓦斯和空气的混合密度一定，并且是一个常数；④采空区内的气体流动是稳定不变的；⑤采空区任一点的气体粘性系数相同；⑥已经冒落的岩体任一点渗透率相同[9]。

4.2 模拟结果分析

当顶抽巷层位参数中的变量平距L保持不变，而垂距H不断发生变化时，模拟从上隅角和采空区深部瓦斯涌出情况，来分析顶抽巷在不同层位下的瓦斯抽采规律。其中，工作面中部垂直工作面以及顶抽巷布置的层位下的邻近平面，作为参考平面。

根据8201 工作面的实际情况，顶抽巷与回风巷的平距定为20 m，顶抽巷与回风巷的垂距分别定为15、30、45 和60 m，顶抽巷抽采口瓦斯浓度分布如图9，顶抽巷抽采口瓦斯浓度随垂距参数H的变化趋势如图10。因为瓦斯密度小，聚集在较高层位，所以抽采口瓦斯浓度随垂距参数H的增加而增大。

图9 8201顶抽巷抽采口瓦斯浓度模拟结果分布图

图10 顶抽巷抽采口瓦斯浓度随垂距的变化趋势

为更好地分析顶抽巷抽采效果受垂距参数的影响，模拟实验特地选取距离采空区底板2 m 的层位进行分析，并且选取距离综放工作面比较近的点（1，1，2）作为上隅角的考察点，选取点（199，30，2）作为采空区深部的对照点，对这两个点进行对比分析，如图11。可见，随着8201 工作面顶抽巷垂距的不断增大，上隅角的瓦斯浓度和采空区深部的瓦斯浓度都呈现先下降，然后下降趋势变得平缓，最后趋于水平。

图11 上隅角及采空区深部瓦斯浓度随垂距变化趋势

当垂距H为15～30 m 时，抽采口抽到的瓦斯，一部分应该是由于自身的悬浮作用漂浮在上面的瓦斯，还有一部分由于抽采时产生的风流和采空区的风流一起形成的流场然后将其它地方的瓦斯聚集在了此处形成了高浓度瓦斯。所以，在抽出这些瓦斯以后，使得上隅角和采空区深部的瓦斯浓度下降。此外，随着垂距H的增加，上隅角和采空区深部的瓦斯浓度在不断下降，但还没有到达最佳位置。

当垂距H为30～45 m 时，随着垂距H的不断增加，上隅角和采空区深部的瓦斯浓度下降的速度慢慢趋于平缓并渐渐接近最佳位置。所以，此时不仅可以保证抽出较高浓度的瓦斯，还能防止采空区的瓦斯向工作面蔓延，使得采空区深部和上隅角的瓦斯浓度处在安全合理的开采范围内。

当垂距H在45 m附近甚至更高的层位时，上隅角处以及采空区深部的瓦斯浓度变化速率慢慢趋于平缓。说明随着顶抽巷垂距参数的不断增加，瓦斯浓度不断下降，当增加到一定限度的时候，这时顶抽巷垂距参数继续增加，对瓦斯浓度的影响变得十分微弱。对于顶抽巷在不同垂距参数下测得的瓦斯浓度变化的特点，反映了当垂距参数不同时，顶抽巷抽采的瓦斯来自不同区域。

当垂距H＞45 m 时，区域内流场的作用力减弱，虽然能抽到高浓度的瓦斯，但此时的瓦斯大多数都来自于因为瓦斯自身上浮力而聚集在此处的高浓度瓦斯。所以，抽采以后对于上隅角和采空区深部的瓦斯浓度影响不大。但是顶抽巷层位的布置会影响到采空区自燃发火的问题。会随着顶抽巷垂距的不断增加，采空区自燃发火的概率也随之增大。

值得注意的是，在实际工作中同忻矿是一个瓦斯含量高的矿井，并且同忻矿的煤层大多是易自燃煤层。所以，考虑在实际运用中应该采用较低的垂距进行抽采以免发生瓦斯爆炸问题，并且还能满足采空区抽采瓦斯的要求。本次的数值模拟实验，在考虑顶抽巷瓦斯抽采效果的同时，兼顾考虑煤矿瓦斯防灭火的压力，但更多的还是考虑到瓦斯的抽采效果。