寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 朱红青，霍雨佳，方书昊，等寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究煤炭科学技术，， （） ， ， ， ，，（） 寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究 朱红青，霍雨佳，方书昊，郭晋麟 （中国矿业大学（北京） 应急管理与安全工程学院，北京 ） 摘 要阳煤集团寺家庄矿 综采工作面瓦斯涌出量较大且具有突出危险性，针对该工作面上隅 角瓦斯易超限的难题，基于工作面上覆岩层破坏的“”型圈理论，提出了沿走向在顶板布置高抽巷进 行瓦斯抽采的方法。 为了探究高抽巷布置的最佳区域，首先应用理论计算及材料相似模拟的方法，得 到采空区垮落带高度为 ，裂隙带高度为 ，弯曲下沉带高度为 以上；“”型圈的 导气裂隙圈在采动侧长为 ；沿走向方向，开切眼侧破断角基本稳定在 ，回采侧破断角在 处波动，平均 ；当工作面推进距离与工作面长度相同时，沿倾向方向进风巷和回风巷破断角均 为 。 应用 软件分别模拟高抽巷与煤层顶板垂距为 、、 ，与回风巷内错距为 、、 时的抽采效果，结果表明高抽巷垂距为 、内错距 时，高抽巷内瓦斯体积分数最高，为 ，上隅角瓦斯体积分数最低，为 。 将试验所得方案应用于现场实践后，在回采初期，由于 大裂隙尚未形成，上隅角瓦斯体积分数存在超限危险，随着工作面的推进，风排瓦斯量逐渐减小，高抽 巷抽采瓦斯量逐渐升高；在进入正常抽采期后，上隅角瓦斯体积分数平均值约为 ，与模拟所得结 果基本相符，该方案能够大幅缓解风排瓦斯的压力，有效解决上隅角瓦斯超限的问题。 关键词上隅角；“”型圈；瓦斯超限；高抽巷合理层位 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ， ， ， （ ， （）， ） 收稿日期；责任编辑王晓珍 基金项目国家重点研发计划资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（） 作者简介朱红青（），男，湖南双峰人，教授，博士生导师。 ， ， ， ， ， “” ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 朱红青等寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究 年第 期 ， ， ， ； ； ； 引 言 我国煤炭资源十分丰富，煤炭作为我国一种相 当重要的消费源，在 年约占一次性能源生产与 使用总量的 ，并在未来很长时间不会改变。 目前我国绝大部分煤炭均为地下开采获得，随着工 作面的推进，矿压逐渐增大，煤层瓦斯压力随之增 大，并有大量的卸压瓦斯涌入工作面，严重影响矿井 的安全生产。 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。 文献通过现 场实践对比分析了高位钻孔、高抽巷及采空区钻孔 的抽采效果，结果表明，在相同条件下，高抽巷抽采 效果最佳，能够有效降低风排瓦斯量与上隅角瓦斯 浓度，从而实现煤与瓦斯共采。 文献针对下沟 煤矿 工作面上隅角瓦斯易超限的问题，基于 “”型圈理论建立数学与物理模型，优化了高抽巷 的层位，并在现场实践后验证了层位优化理论的有 效性。 文献基于 函数建立了新的采空 区渗流模型，应用 仿真软件模拟了高抽巷抽采 条件下采空区瓦斯分布规律。 徐永佳根据首山 一矿的倾向覆岩裂隙分布特征建立了裂隙发育模 型，计算并优化了高抽巷位置，对相似上覆岩层的矿 井具有借鉴意义。 文献 以常村矿为例，基于 “”型圈理论建立碎胀系数数学模型，应用 软件模拟了高抽巷不同层位时的抽采效果，并使用 现场数据验证了模拟结果的准确性。 随着采煤工作面推进，导气裂隙圈逐渐形成，大 量瓦斯在此积聚，因此将高抽巷布置在这一区域，最 有利 于 抽 采 高 浓 度 瓦 斯， 减 少 瓦 斯 涌 入 工 作 面。 笔者在“”型圈理论的基础上，应用理论 计算、试验研究、数值模拟的方法，优化寺家庄煤矿 工作面高抽巷的层位，并在工程实践后，将实 测数据与模拟数据比较分析，相互验证。 采空区导气裂隙圈范围划分 工作面工程概况 寺家庄煤矿 综采工作面在 水平， 主采 号煤层，煤层厚度为 ，平均厚度为 ，煤层平均倾角 ， 赋存稳定。 工作面长 ，预计本工作面回采期间的绝对瓦斯涌出量 为 。 相似模拟试验分析 依据 综采工作面的尺寸、受力等情况，在 室内大型相似模拟试验平台进行试验研究，分析工 作面回采过程中上覆岩层与邻近岩层的裂隙发育规 律及其破坏状态。 本试验采用中国矿业大学（北 京）实验室二维试验台，试验台尺寸长宽高为 。 煤层上覆岩层受回采影响，发生明显移动的岩 层和煤层顶板的最大垂直距离称为移动层高，岩层 发生移动的最高层与上部未发生移动的岩层间空隙 在垂直煤层方向上的距离称空隙高。 模拟回采过程 中，上覆岩层的裂隙发育程度与岩层的碎胀性成正 相关，而覆岩的碎胀性可由移动层高差值与空隙高 差值的比值 表征，具体数值见表 。 表 上覆岩层移动数据 移动 层高 空隙 高 移动层 高差值 空隙 高差值 移动层高为 时，空隙高达到最大值 ，可以判断此移动层高为垮落带高，即 。 分析煤层回采过程中空隙高差与移动层高差的比 值，移动层高为 时其值较平稳，可以得出覆岩 高 时岩石碎胀性较大，其裂隙较发育，高于 后覆岩碎胀性较小且裂隙发育也不充分，由 此可以得出裂隙带上限高为 ，实际为 。 随着煤层开挖，测量上覆岩层破断角，得出“梯 形台”破断角变化规律沿走向方向，开切眼侧破断角 基本稳定在，回采侧破断角大致在波动，平 均。 工作面上覆岩层发育情况如图 所示。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 工作面上覆岩层发育情况 当工作面推进距离与工作面长度相同时，可以认 为沿倾向方向，进、回风巷侧破断角与走向方向相似， 即进风侧和回风侧破断角均为 。 根据相似模拟试 验台测量得到在开采侧，导气裂隙圈宽度约为 ， 其他方向均为 ，“”型圈尺寸如图 所示。 图 “”型圈平面示意 “” 由于导气裂隙圈的瓦斯富集区一般处于裂隙带 的中下部区域，所以高抽巷可选层位为垂直高度 、水平内错距 ，在图 中以绿色区 域表示。 图 高抽巷层位选择示意 高抽巷合理层位数值模拟分析 采空区“”型圈分布多孔介质的实现 近年来国内外“”型圈垮落模型大都基于二维 空间内，笔者在此基础之上增加垂直方向碎胀系数 变化规律，碎胀系数可表示为 （ ） （ ）（ （ ）） （） 式中为覆岩压实后碎胀系数；为近工作面处 下部采空区碎胀系数；为初始垮落碎胀系数，三 者关系为 ；、、分别为采空区中某 一点到采空区巷帮、工作面及底板的距离；为沿采 空区走向方向的调整系数，为沿采空区倾向方向 的调整系数；为工作面与开切眼处碎胀系数衰减 率；为采空区两侧碎胀系数衰减率，为采空区顶 板方向衰减率。 通过相似模拟与现场实测可知， ，，， ， ， ，，，，。 采空区多孔介质孔隙率 及黏性阻力系数 可表示为 （） （ ） （） 式中为多孔介质中颗粒直径，取平均值 。 将孔隙率和渗透率编写为 中的 程 序，即可模拟实现采空区孔隙率和黏性阻力系数的 非均质分布，如图 所示。 图 采空区多孔介质示意 建立物理模型 建立物理模型时，将采空区形状设置为“梯形 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 朱红青等寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究 年第 期 台”，与相似模拟试验模型保持一致。 孔隙率与黏 性阻力系数为 数据导出，虽为长方体，当导 入 所建“梯形台”后会根据模型的尺寸自适 应该模型，实现形状的统一。 为了既能够准确反映采空区瓦斯运移规律又能 够简化计算过程，笔者作出如下假设不考虑流 体在流动过程中温度和热量的传导变化，将瓦斯和 空气的混合气体视作不可压缩气体，忽略温度对气 体体积变化的影响；将采空区视为多孔介质，孔隙率 以及黏性阻力系数均匀分布且各向同性；瓦斯与工 作面的混合气体在采空区的流动符合 定律。 依据现场实际情况，几何模型参数如下 进风巷长宽高 （） 回风巷长宽高 （） 工作面长宽高 （） 采空区长宽高 （） 高抽巷长宽高 （） 分别设置高抽巷与工作面顶板垂距为 、、 ，与回风巷内错距为 、、 。 应用 软件 对 几 何 模 型 进 行 网 格 划 分， 网 格 类 型 为 ，划分进、回风巷网格步距为 ，网格共 个，采空区网格步距为 ，网格共 个， 如图 所示。 图 几何模型网格示意 主要边界条件设置 将网格导入 中，计算模型为湍流模型 中的 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；进风 巷的入口设置为速度入口并设置风速 ，水力 直径 ，湍流强度 ；回风巷出口设置为自由 流出；设置高抽巷出口为风扇条件并依据现场实际 情况设置负压为 ；瓦斯涌出强度与至工作面 距离呈负指数衰减变化，衰减率为 ，瓦斯涌 出源项据此编写 程序；风流温度和采空区初始 温度为 。 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 ，距巷道侧壁不得小于 ，在上隅角位 置设置监测点监测上隅角瓦斯浓度，监测点距离顶 板 ，距离巷道侧壁 ；在高抽巷负压口 设置监测面，监测巷道内抽采瓦斯浓度及流量。 模拟结果分析 无高抽巷抽采时采空区瓦斯分布状态如图所示。 图 未抽采时采空区瓦斯分布 由图 可知，无高抽巷抽采时，采空区进风巷一 定范围内瓦斯浓度最低，与之斜对的采空区深部范 围内瓦斯浓度最高。 在进风侧靠近底板的区域，由 于受到漏风影响最大，瓦斯浓度最低，随着逐渐靠近 回风巷，瓦斯浓度逐渐增大；在采空区上部，受到的 漏风作用大幅减小，瓦斯在升浮作用和重力的影响 下流向高处，并且积聚在采空区回风侧的上部，瓦斯 体积分数最高可达到 。 而工作面上隅角瓦斯 体积分数约为 ，与煤矿安全规程规定的“上 隅角瓦斯浓度低于 ”的要求不符，严重影响安全 生产。 高抽巷抽采时采空区瓦斯分布如图 所示。 图 高抽巷抽采时采空区瓦斯分布示意 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 当加入高抽巷抽采后，采空区瓦斯浓度分布出 现明显变化，尤其高抽巷下部区域低瓦斯浓度范围 大幅减小，瓦斯浓度等值线在高抽巷抽采口处汇聚。 在高抽巷负压的作用下，采空区瓦斯无法通过裂隙 涌入工作面空间，而是流入高抽巷并排出采空区，其 对瓦斯的截流效果十分显著。 上隅角及高抽巷内瓦斯浓度如图 所示。 在高 抽巷距离工作面顶板高度一定时，上隅角瓦斯浓度 随着内错距离的增加呈现先增加后减小的趋势，高 抽巷内瓦斯浓度变化趋势与之相反。 主要原因为当 高抽巷内错距离小于 时，由于距离采空区边界 较近，其位置恰好处于破断角范围内，裂隙发育不完 全，同时易受到漏风的影响，抽采效果较差；当高抽 巷内错距离大于 时，该区域范围裂隙被重新压 实，瓦斯流动不畅，高抽巷无法顺利抽出高浓度瓦 斯，抽采效果最差。 图 上隅角及高抽巷瓦斯浓度 当高抽巷内错距一定时，随着垂距增加，上隅角 瓦斯浓度先降低后升高，高抽巷抽采瓦斯浓度在垂 距超过 后变化很小。 主要是因为当垂距小于 时，高抽巷位于裂隙带下部边缘，距离垮落带 过近，易受到采动作用及漏风的影响，工作面漏风的 少部分风流流入高抽巷，稀释了高抽巷附近的瓦斯 浓度；当垂距大于 时，高抽巷距离工作面过远， 不能对采空区瓦斯起到较好的截流作用。 综上所述，当高抽巷垂距为 、内错距为 时，其位置恰好处于“”型圈的导气裂隙圈与纵 向裂隙交汇处，此范围内裂隙发育完整，与上隅角距 离适 当， 既 能 够 顺 利 抽 采 较 高 体 积 分 数 瓦 斯 （），又能够有效降低上隅角瓦斯体积分数 （），保证安全生产。 现场工程实践 根据模拟试验结果，高抽巷位于 号煤层顶板 上部岩层中，与工作面顶板垂距 ，与回风巷内 错距 ，巷道为矩形，宽 、高 。 掘进完成 后在距离巷道口 处施工密闭墙，并安放抽采管 路及瓦斯监测束管。 在高抽巷进行抽采后的 内监测上隅角瓦斯浓度、风排瓦斯量及高抽巷内纯 瓦斯流量，效果如图 所示。 图 高抽巷抽采时瓦斯监测数据 在高抽巷抽采初期，抽采效果不佳，这是因为关 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 成上隅角瓦斯体积分数不断升高，最高达到 。 随着工作面推进，大裂隙逐渐产生，“”型圈导气裂 隙圈形成，进入正常抽采时期，记录此阶段现场实测 数据见表 。 表 现场实测瓦斯数据 地点 瓦斯体积分数 纯瓦斯流量 （ ） 最小最大均值最小最大均值 上隅角 高抽巷 回风巷 高抽巷抽采纯瓦斯流量增加至 ，平均为 ，风排瓦斯量降低至 左右，大幅缓解了风排瓦斯的压力；上 隅角瓦斯体积分数逐渐降低为 左右，与模拟结 果基本相符。 结 论 ）应用经验公式计算与材料相似模拟试验相结合 的方法，确定了寺家庄矿 工作面竖三带的高度以 及导气裂隙圈的宽度；根据“”型圈理论，确定了高抽 巷应布置在裂隙带中下部、导气裂隙圈范围内。 ）应用 模拟不同位置高抽巷抽采效果 后，确定将高抽巷布置在与工作面顶板垂距 ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 朱红青等寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究 年第 期 与回风巷内错距 ，此时高抽巷内瓦斯体积分数 为 ，上隅角瓦斯体积分数为 ，达到了安 全规程要求。 ）高抽巷层位优化方案在 工作面现场实践 后，上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制，基本稳定在 ，能够大幅度缓解风排瓦斯的压力，保证安全 生产。 参考文献（） 林柏泉，周 延，林贞堂 安全系统工程徐州中国矿业 大学出版， 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中国矿业大学学报，，（） ， ， ， ， ，（） 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 采矿与安全工程学报，，（） ， ， ， ，， （） 王海峰，方 亮，程远平，等 基于岩层移动下邻近层卸压瓦斯 抽采及应用采矿与安全工程学报，，（） ，，， ，，（） 张跟柱常村矿高抽巷合理层位布置及钻孔抽采技术研究 徐州中国矿业大学， 丁厚成，马 超走向高抽巷抽放采空区瓦斯数值模拟与试验分析 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