寺家庄矿15106 工作面顶板低位抽放巷合理层位研究_刘继勇.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 应用 实践 许多大型煤矿“一矿一线两面”的高效开采模 式， 加大了工作面的产量， 但瓦斯问题逐渐凸显[1-3]， 事故时有发生。高抽巷瓦斯抽采作为一种主要的抽 采方法， 具有抽采纯量高、 影响半径大、 服务年限长 的特点，合理的高抽巷布置方式能够有效降低上隅 角及回风巷中的瓦斯浓度，保证安全生产，许多学 寺家庄矿 15106 工作面顶板低位抽放巷 合理层位研究 刘继勇 （阳泉煤业 （集团） 有限责任公司， 山西 阳泉 045000） 摘要 为了解决寺家庄矿 15106 工作面上隅角瓦斯易积聚的难题， 基于上覆岩层破坏的 “O” 型 圈理论， 提出沿走向在顶板布置低位抽放巷方法。 基于相似模型实验和理论计算得到 “O” 型圈离 层裂隙区范围为采动侧 0～20 m， 低位抽放巷位置范围应与工作面顶板垂距 5～9 m， 与回风巷内 错距 0.8～21.5 m。 FLUENT 模拟结果表明 低位抽放巷位置为垂距 7～9 m， 内错距 3～9 m 时， 抽采 效果最佳。为了便于下行钻孔的实施， 现场将低位抽放巷布置位置为垂距 7.2 m， 与回风巷内错 距 5.1 m， 回采初期， 由于大裂隙尚未形成， 上隅角瓦斯浓度存在超限危险， 正常抽采后， 低位高 抽巷瓦斯纯流量约为 34.7 m3/min， 上隅角瓦斯浓度稳定在 0.47％， 符合规程要求， 解决了上隅角 瓦斯积聚的问题。 关键词 瓦斯抽采； 上隅角； 相似实验； 数值模拟； 低位抽放巷 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0147-05 Study on Reasonable Level of Roof Low Level Drainage Roadway in Sijiazhuang 15106 Working Face LIU Jiyong （Yangquan Coal Industry（Group）Limited Liability Company, Yangquan 045000, China） Abstract In order to solve the problem of easy accumulation of corner gas in 15106 working face of Sijiazhuang Mine, based on the “O”ring theory of overburden rock damage, a of arranging low-level drainage lanes on the roof was proposed. Based on similar model experiments and theoretical calculations, it is obtained that the fracture zone of the“O”ring delaminated zone is 0-20 m on the mining side. The position of the low-level drainage lane should be 5-9 m from the roof of the working face, and within the return air lane. The offset is 0.8-21.5 m. FLUENT simulation results show that the drainage effect is the best when the low -level drainage lane is at a vertical distance of 7 -9 m and an internal offset of 3 -9 m. In order to facilitate the implementation of downhole drilling, the layout of the low-level drainage lane was set at a vertical distance of 7.2 m, and the offset distance from the return air lane was 5.1 m. At the beginning of the mining, because the large cracks have not yet ed, the gas concentration at the upper corner is dangerous after normal drainage, the gas flow in the low-level and high-drainage lane is about 34.7 m3/min, and the gas concentration in the upper corner is stable at 0.47, which meets the requirements of the regulations and solves the problem of gas accumulation in the upper corner. Key words gas drainage; upper corner; similar experiment; numerical simulation; low drainage roadway DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.032 刘继勇.寺家庄矿 15106 工作面顶板低位抽放巷合理层位研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 147-151. LIU Jiyong. Study on Reasonable Level of Roof Low Level Drainage Roadway in Sijiazhuang 15106 Working Face ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 147-151. 移动扫码阅读 147 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 者对此进行过研究[4-6]。钱鸣高[7]院士在关键层理论 的基础上阐述了采空区孔隙 “O” 型圈分布特征， 姜 福兴[8]教授推导出了岩层质量指数。高延法[9]教授研 究了岩移 “四带” 模型， 这对计算和解释导水断裂带 的形态和高度都有很大的帮助。杨枫[10]等对比了高 位钻孔、高抽巷以及采空区抽采钻孔 3 种抽采方 式，认为高抽巷能够有效控制上隅角瓦斯浓度， 提 高了工工作面回采效率。徐永佳[11]以首山一矿为研 究对象，根据倾向覆岩理论建立了裂隙发育模型， 计算出了高抽巷最终的合理位置。王伟、 程远平、 刘洪永[12]等基于 sigmoid 函数建立了采空区渗流模 型， 应用 CFD 动态模拟软件模拟了高抽巷抽采条件 下采空区瓦斯分布规律。为解决下沟煤矿 ZF301 工 作面瓦斯超限的问题， 宋卫华[13]等应用 FLUENT 软 件模拟了顶板高抽巷不同空间位置时的抽采效果， 在现场实践最佳方案后，上隅角瓦斯超限问题得到 了有效的控制。以寺家庄矿 15106 工作面为研究对 象，该工作面同时存在抽采邻近层瓦斯涌出的高位 抽放巷与控制上隅角瓦斯浓度的低位抽放巷，基于 采空区 “O” 型圈垮落分布规律以及关键层理论， 应 用理论计算、实验研究、数值模拟与现场测试现结 合的方法，优化该工作面低位抽放巷布置工艺， 解 决上隅角瓦斯积聚问题。 1相似模拟 1.1工作面概况 寺家庄煤矿 15106 综采工作面在510 m 水平， 主采 15煤层平均厚度为 5.4 m，平均埋深为 480 m。工作面设计走向长度 1810.6 m，工作面长 206 m。预计本工作面回采期间的绝对瓦斯涌出量为 189 m3/min， 其中， 邻近层瓦斯涌出量为 144 m3/min， 本煤层瓦斯涌出量为 45 m3/min， 只考虑本煤层瓦斯 涌出及低位抽放巷抽采。15106 综采工作面存在 2 个地面钻孔， 综合得到采面覆岩岩性及厚度。 1.2相似模拟实验 根据 “O” 型圈理论可知， 优化设计抽放巷空间 位置前应确定离层裂隙区范围，使抽放巷布置在此 范围内。相似模型实验台尺寸为 3 m0.25 m2 m。 设定模型与实体之间的几何相似比为 200、时间相 似比为 14.14、 应力相似比为 320。相似材料为沙子、 石灰、 石膏和水， 基于覆岩岩性及厚度， 按照相似比 配比模型材料。 测量相似模型试验得到的覆岩破断角与回采距 离关系如图 1，可工作面回采过程中切眼侧破断角 稳定在 60，回采侧破断角在 43～68波动，平均 54。测量实验模型 “O” 型圈离层区域宽约为 20 m， 相似模拟实验结果如图 2。 寺家庄矿为突出矿井，按照防突规定岩巷与煤 层垂直距离应大于 5 m，垂距过高不利于上隅角瓦 斯浓度控制， 与回风巷越近越有利于下行钻孔施工， 综合考虑， 低位抽放巷垂距应为 5～9 m， 低位抽放巷 最佳位置示意图如图 3。 低位抽放巷应落于图中绿色区域，则内错距 L 取值范围为 图 1覆岩破断角与回采距离关系图 Fig.1Relation diagram of rock stratum fracture angle and mining distance 图 2相似模拟实验结果图 Fig.2Similar simulation results 图 3低位抽放巷最佳位置示意图 Fig.3Schematic diagram of optimum location of low drainage roadway 148 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 5＋Hg tan54 -Lg≤L≤9tan 90-54 （） L0-Lg（1） 式中 Hg为低位抽放巷高度，取 3 m； Lg为低位 抽放巷宽度， 取 4.5 m； LO为 “O” 型圈离层裂隙区宽 度， 取 20 m。 代入数据后可以得到 0.8 m≤L≤21.5 m。则 15106 工作面低位抽放巷位置应该为距回风巷垂距 5～9 m， 内错距0.8～21.5 m。 2模型建立及模拟结果 2.1模型及边界条件 模型建立基于连续性方程、 动量方程、 组分守恒 方程和 standard k-ε[14]湍流方程建立的数学模型。 为 了既能够准确反映采空区瓦斯运移规律的同时又尽 可能的简化计算过程， 作出理想化假设[15]。 依据现场 实际情况， 简化采空区模型， 几何模型参数见表 1。 依据相似模拟实验及理论计算结果，设置低位 抽放巷距工作面顶板垂距分别为 5、 7、 9 m，与回风 巷内错距分别为 1、 2、 3、 4、 5、 7、 9、 20、 30 m。应用 Gambit 软件对几何模型进行 submap 类型网格划 分， 进、 回风巷网格步距为 0.5 m， 网格共 480 个， 采 空区网格步距为 1 m， 网格共 286 092 个， 几何模型 网格图如图 4。 模型为湍流模型的 k-epsilon 中的 standard 模 型， 材料为瓦斯和空气的混合物； 工作面与采空区交 界面设置为内部界面， 重力设置为-9.8 m/s2。 1） 进风巷的入口设置为速度入口并设置风速， 水力直径和湍流强度，依据计算公式得出风速取 2.9 m/s、 水力直径为 3.6 m、 湍流强度为 3.1。 2） 回风巷出口设置为自由出流。 3） 工作面、 进回风巷、 采空区均设置为流体区 域， 将采空区设置为多孔介质区域、 层流区域， 设置 瓦斯源项。 4） 瓦斯涌出量为 45 m3/min， 瓦斯源项设为均匀 涌出， 采空区瓦斯总源项为 1.3510-5kg/ （m3 s） 。 5） 设置低位抽放巷出口为风扇条件并依据现场 实际情况设置负压为 3 kPa。 6） 将孔隙率和渗透率编写为 Fluent 中的 UDF 程序，即可实现采空区孔隙率和黏性阻力系数的非 均质分布， 孔隙率符合 “O” 型圈分布规律[16-20]。 根据 煤矿安全监控系统及检测仪使用规范 要 求， 甲烷传感器距顶板不得大于 300 mm， 距巷道侧 壁不得小于 200 mm[14]， 在上隅角位置设置监测点监 测上隅角瓦斯浓度， 坐标为 （0， -99.8， 14.45） ， 该点 距离顶板 200 mm， 距离巷道侧壁 200 mm； 在低位抽 放巷负压口设置监测面，监测巷道内抽放瓦斯浓度 及流量。 2.2模拟结果 模拟无抽放巷时，采空区瓦斯浓度分布立体图 如图 5。 无抽放巷抽采时， 采空区进风巷处 A 点范围瓦 斯浓度最低， 回风巷上部的 B 点范围内瓦斯浓度最 高为 56％。工作面上隅角瓦斯浓度为 5％， 达到瓦斯 预警。 加入低位抽放巷时，低位抽放巷与煤层顶板垂 距为 7 m， 与回风巷内错距 3 m 时的瓦斯分布如图6。 加入低位抽放巷抽采后，采空区瓦斯浓度明显 名称长宽高/ （mmm ） 进风巷 回风巷 工作面 采空区 高抽巷 2054 2054 20064 20020061 204.53 表 1几何模型参数表 Table 1Geometric model parameters table 图 4几何模型网格图 Fig.4Geometric model grids diagram 图 5采空区瓦斯浓度分布立体图 Fig.5Distribution chart of gas concentration in goaf 149 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 降低，仅在采空区内部回风巷上方存在小部分高瓦 斯浓度范围， 上隅角瓦斯浓度变化如图 7， 低位抽放 巷纯瓦斯流量变化如图 8。 由图 7、 图 8 可知， 当低位抽放巷与煤层顶板垂 距一定时， 上隅角瓦斯浓度随内错距加大先降低后 升高，低位抽放巷内纯瓦斯流量变化趋势与之相 反。当低位抽放巷内错距小于 3 m 时， 其位置恰好 处于破断角范围外， 裂隙发育不完整， 抽采效果较 差； 当内错距在 3～9 m 时， 此时低位抽放巷恰好处 于采空区 “O” 型圈离层裂隙区， 裂隙发育， 抽采效果 最佳； 当内错距大于 9 m 时， 低位抽放巷无法有效 的阻挡采空区瓦斯流入工作面， 抽采效果逐渐下降。 当低位抽放巷与回风巷内错距一定时，上隅角 瓦斯浓度随着垂距的增加先降低后升高，是因为低 位抽放巷垂距过高时无法对低层位瓦斯涌入工作面 起到拦截作用。低位抽放巷内纯瓦斯流量随着垂距 的增加逐渐增加， 主要是煤层回采过程中， 上覆岩层 会产生两类裂隙，瓦斯在升浮效应的作用下由低层 位流向高层位， 使高层位瓦斯量高于低层位。 由模拟结果可知，低位抽放巷内错距为 3～9 m、 垂距为 7～9 m 时， 抽采效果最佳， 但考虑现场掘 进巷抽采时， 低位抽放巷垂距为 7 m 时更便于下行 钻孔的实施。由上可以将低位抽放巷层位优化为垂 距 7 m， 内错距为 3～9 m。 3现场实测 根据研究结果，施工低位抽放巷工作面顶板垂 距 7.2 m，与回风巷内错距 5.1 m，巷道为矩形， 宽 4.5 m，高 2.9 m。掘进完成后在距离巷道口 8 m 处 施工密闭墙， 并安放抽放管路及瓦斯监测束管。 在低位抽放巷进行抽采后的 30 d 内， 监测上隅 角瓦斯浓度及低位抽放巷内纯瓦斯流量，现场实测 效果如图 9。 巷抽采初期效果不佳， 因为关键层垮落之前， 上 覆岩层形成的裂隙较小，并且不断有采空区落煤及 采煤产生的瓦斯逸散至工作面，造成上隅角瓦斯浓 度不断升高， 最高达到 0.86％， 存在超限危险。随着 工作面推进， 大裂隙逐渐产生，“O” 型圈离层裂隙区 形成， 进入正常抽采时期， 低位抽放巷抽采纯瓦斯流 图 9现场实测效果 Fig.9Field test effect 图 6低位抽放巷垂距 7 m， 内错距 3 m 时的瓦斯分布图 Fig.6Gas distribution of 7 m vertical distance and 3 m horizontal distance of low drainage roadway 图 7上隅角瓦斯浓度变化 Fig.7Change in gas concentration in the upper corner 图 8低位抽放巷纯瓦斯流量变化 Fig.8Change of pure gas flow in low drainage roadway 150 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 量增加至 31.9～37.2 m3/min，平均值为 34.7 m3/min； 上隅角瓦斯浓度逐渐降低在 0.42％～0.49％，平均值 为 0.47％， 实测结果与模拟结果相符。 4结论 1） 根据 “O” 型圈理论和相似模拟实验， 破断角 约为 54， 离层裂隙区宽度约为 20 m， 低位抽放巷应 布置在与工作面顶板垂距 5～9 m，与回风巷内错距 为 0.8～21.5 m。 2） 应用 Fluent 模拟不同位置低位抽放巷抽采效 果后，确定低位抽放巷最佳位置为与工作面顶板垂 距 7 m， 与回风巷内错距 3～9 m。 3） 施工低位抽放巷与工作面顶板垂距7.2 m， 与 回风巷内错距 5.1 m，上隅角瓦斯浓度得到了有效 地控制， 基本稳定在 0.47％， 达到了预期效果， 可为 其他工作面治理上隅角瓦斯提供借鉴。 参考文献 ［1］ 林柏泉， 张建国， 翟成， 等.近距离保护层开采采场下 行通风瓦斯涌出及分布规律 ［J］ .中国矿业大学学报， 2008， 37 （1） 24-29. ［2］ 魏春荣， 李艳霞， 孙建华， 等.灰色-分源预测法对煤矿 瓦斯涌出量的应用研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （4） 628-632. ［3］ 王海峰， 方亮， 程远平， 等.基于岩层移动的下邻近层 卸压瓦斯抽采及应用 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （1） 128-131. ［4］ 杜瀚林， 于贵生.高瓦斯易自燃煤层高抽巷瓦斯抽采 与浮煤自燃耦合研究 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （12） 163-169. ［5］ 武帅， 邢玉忠.基于偏 “W” 型通风系统-走向高抽巷的 采空区瓦斯治理技术 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （3） 177-180. ［6］ 刘佳佳， 杨明， 魏春荣.高抽巷抽采负压优化的数值模 拟 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （2） 35-38. ［7］ 钱鸣高， 缪协兴， 许家林.岩层控制中的关键层理论研 究 ［J］ .煤炭学报， 1996 （3） 2-7. ［8］ 姜福兴.岩层质量指数及其应用 ［J］ .岩石力学与工程 学报， 1994 （3） 270-278. ［9］ 高延法.岩移 “四带” 模型与动态位移反分析 ［J］ .煤炭 学报， 1996 （1） 51-56. ［10］ 杨枫， 郑金龙， 王联.近距离煤层群开采工作面瓦斯 超限治理技术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 47 （5） 126-131. ［11］ 徐永佳.高瓦斯矿井高抽巷合理布置及终巷位置确 定研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （11） 93-100. ［12］ 王伟， 程远平， 刘洪永， 等.基于 sigmoid 函数的采空 区渗透率模型及瓦斯流场模拟应用 ［J］ .采矿与安全 工程学报， 2017， 34 （6） 1232-1239. ［13］ 宋卫华， 李幼泽， 韩彦龙， 等.高瓦斯综放工作面高抽 巷合理层位的确定 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （4） 72-76. ［14］ Launder B E，Spalding D B. 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