某礦采動裂隙“O”型圈中瓦斯運移規律分析及抽放設計

趙文利

(大同煤炭職業技術學院)

對煤礦采動裂隙“O”形圈內的瓦斯運移規律進行分析，對于提高礦井瓦斯抽放效率，確保井下安全生產具有重要作用[1-3]。本研究結合Fluent數值模擬分析方法，對某礦2315工作面采動裂隙“O”型圈內的瓦斯運移規律研究，并對瓦斯抽放鉆孔參數進行合理設計。

1 工作面概況

2315采煤工作面位于南三采區，屬首采工作面，采面回風巷走向長為865 m，運輸巷走向長為742 m，采面傾向長為168 m，采面可采走向長為576 m，煤層傾角平均為11°，平均采高2.8 m。該采面所開采的煤層為10#煤層，上區段10#煤層(2313采面)和上區段下伏12#煤層(2313采面)已回采，下區段上覆6#煤層(2317采面)作為保護層已開采，2315運輸巷處于卸壓區域，2315回風巷為沿空掘巷。該工作面布置了2315頂抽巷，針對2315工作面還布置了高位鉆場(圖1)。采煤工作面形成之前，測出2315工作面的煤炭儲量為23.38萬t。該工作面開采10#煤層，煤層原始瓦斯含量為14.07 m3/t，該區域總的瓦斯含量為328.96萬m3，瓦斯壓力(絕對瓦斯壓力)為1.2～2.1 MPa。在采煤工作面推進過程中，在進行本煤層鉆孔抽放瓦斯時曾發生多次噴孔現象，在進行穿層鉆孔預抽瓦斯時，也多次出現嚴重的卡鉆、噴孔現象。

圖1 2315工作面高位鉆場布置示意

2 瓦斯運移規律分析

2.1 模型構建

選擇南三采區2315工作面上覆巖體作為研究對象，根據該工作面的實際漏風情況，模擬回采面距開切眼200 m的情形，坐標原點位于工作面支架與回風巷底板交點處。模型沿采空區中部對稱，幾何邊界參數為工作面傾斜長度168 m，平均采高2.8 m，采空區尺寸為200 m×168 m(長×寬)，工作面控頂距為3 m(圖2)。

圖2 模型示意

2.2 數值模擬分析

采用Fluent軟件對圖1模型進行了解算，結果見圖3。

分析圖3可知：采空區中部瓦斯濃度最低，向四周瓦斯濃度逐漸增大，與采空區裂隙的孔隙率分布特征相對應，采空區中部的離層趨于壓實，瓦斯濃度相對較低，而在采空區兩側，裂隙較發育，瓦斯濃度相對較高，從而在平面上形成了一個瓦斯濃度高的“O”形圈，即瓦斯運移通道。運用Tecplot軟件對數值模擬結果進行進一步處理，得到沿工作面走向、傾向的瓦斯濃度分布特征如圖4所示。

圖3 采空區瓦斯濃度分布

分析圖4可知：沿走向方向上，采用理論值得出的瓦斯濃度分布曲線與采用實際值得出的瓦斯濃度分布曲線基本重合，說明在切眼附近和工作面附近煤巖的滲透系數和孔隙率對“O”形圈內瓦斯濃度及“O”形圈邊界的影響較小；沿傾向方向上，采用理論值得出的瓦斯濃度分布曲線與采用實際值得出的瓦斯濃度分布曲線相差較大，但瓦斯濃度總體變化趨勢較接近，均為隨著與回風巷距離的增加，瓦斯濃度逐漸減小，而后趨于穩定(壓實區)，最后接近運輸巷道時又逐漸增加。

圖4 工作面瓦斯濃度分布

3 煤層卸壓瓦斯抽放鉆孔布置

3.1 鉆孔參數設計

根據相關理論，鉆孔終孔高度Hz應處于裂隙帶范圍內[4-6]，即：

Hm

(1)

式中，Hm為冒落帶高度，m；H1為裂隙帶高度，m。

Hm計算公式為[4-7]

式中，M為采面平均采高，m；k為碎脹系數；α為煤層平均傾角，(°)。

H1可用下式進行計算[8-9]：

式中，a，b，c均為待定常數，取值可根據相關煤礦設計規范確定[10]。

將式(2)和式(3)代入式(1)中，便可確定鉆孔終孔距底板的高度。

鉆孔有效長度應確保其位于裂隙帶范圍，即：

Lk=Lz-Lc，

(4)

式中，Lk為鉆孔有效長度，m；Lz為鉆孔總長度，m；Lc為重疊區長度，m。

為將抽放鉆孔順利打至“O”形圈內，抽放鉆孔的終孔點或抽放巷與回風巷的水平距離s可按下式計算[10]：

s=[H-(B+Hcotα)tanα]sinα+

(B+Hcotθ)/cosα，

(5)

式中，H為抽放孔的終孔點或抽放巷與煤層的垂直距離，m；B為鉆孔(巷)距“O”形圈外邊界的距離，m；θ為裂隙邊界與開采邊界的連線與煤層的夾角，(°)。

2315工作面煤層屬于堅硬煤層，本研究設定a =1.2，b =2.0，c=8.9，M=2.8m，α=11°，k=1.28～1.51，據式(2)可得，Hm=10.18m，據式(3)可得H1并取其下限值時為43.34m。考慮到鉆場的穩定性及便于維護，本研究鉆場高度確定為11m。根據10#煤層賦存特征及現有的生產條件，鉆孔孔深設定為80～95m，根據式(4)可得，Lk約為55m。由于H1=43.34m，故H=40.54m。根據鉆孔孔深和H值，可得θ=42°，B=0～34m，由式(5)可得出s=0～35m。為確保長時間、高濃度、高效率地抽放瓦斯，本研究Hz=10.18～43.34m，s=0～4m。

3.2 抽放效果

由2315工作面瓦斯濃度觀測可知，工作面至切眼開始推進，在鉆孔抽放之前，瓦斯涌出量為5.12m3/min，工作面回風巷段6～8m內瓦斯超限，當工作面推進超過40m后，抽放鉆孔開始抽放發揮作用，當頂煤充分放落(或來壓期間)時，抽放瓦斯涌出量為1.8～2.9m3/min，占綜放面瓦斯涌出量的35%～56%，抽放效果十分明顯。在正常抽放瓦斯時，工作面回風巷段6～8m處，局部區域的瓦斯濃度為0.6%～0.8%，在長期觀測過程中，瓦斯抽放濃度變化較大，為0.7%～4%。由于瓦斯密度低于空氣密度，而鉆孔終孔又位于采動裂隙“O”形圈內，大量瓦斯首先涌入該區域，即被抽采鉆孔抽出，使得大量由采煤工作面中涌出的瓦斯被排出，確保了上隅角瓦斯不超限。

4 結 語

以某礦2315采煤工作面為例，結合Fluent數值模擬分析方法，對該工作面上覆巖層采動裂隙“O”形圈內的瓦斯運移規律進行了分析，并對相應的瓦斯抽放鉆孔參數進行了合理設計，取得了理想的抽放效果，可供類似礦山借鑒。