瓦斯排放帶寬度相關參數測試及其數值模擬分析

孫志國

(山西汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300)

引 言

生產經驗表明，卸壓帶寬度的大小，對煤與瓦斯突出的發生有較大影響。煤與瓦斯突出危險性預測，實際上是對工作面前方一定范圍內的瓦斯壓力和應力進行檢測，看是否存在有高壓瓦斯源或應力集中區，進而根據卸壓帶寬度，判斷卸壓帶是否可以阻止突出的發生。這是由于，卸壓帶可以控制煤體中瓦斯內能和彈性能的釋放[1-3]。一般情況下，卸壓帶寬度較小時，煤體應力集中帶就離工作面較近，瓦斯壓力梯度就較大，就較可能發生煤與瓦斯突出；反之，如果卸壓帶寬度足夠大，工作面前方即使存在有急劇的應力集中或高壓瓦斯源，也不會發生瓦斯突出。目前，鉆孔瓦斯排放、深孔松動爆破、煤層注水等局部防突措施，就是通過人為地擴大卸壓帶的范圍，來實現防止突出的目的[4-5]。目前，煤礦企業主要是通過直接測定突出危險性預測指標判斷煤礦突出危險，而預測指標測試結果的準確性很大程度上取決于取樣的深度。因此，為了確定合理的取樣深度，準確進行煤層突出危險性預測，必須對巷幫煤體瓦斯排放帶寬度展開研究。

1 礦井概況

1.1 煤層賦存

井田內含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，可采煤層為山西組3號煤層和太原組15號煤層，其中，3號和15號煤層為采礦許可證批準開采的煤層。

1) 3號煤層

賦存于山西組下部，上距K8砂巖26.55 m左右。為該礦現在開采煤層。煤層厚度3.20 m～6.64 m，平均4.96 m，為井田穩定可采煤層。多含有0層～2層夾矸，夾矸厚度10 cm～40 cm不等。煤層直接頂板為泥巖或粉砂質泥巖，偽頂為炭質泥巖，底板為泥巖或粉砂質泥巖。

2) 15號煤層

位于太原組下部，直伏于K2石灰巖之下，與3號煤層平均間距87.83 m左右。煤層厚度2.84 m～3.87 m，平均3.37 m，為井田穩定可采煤層。煤層結構簡單，含0層～1層夾矸，夾矸厚度0 cm～56 cm不等。煤層直接頂板為K2石灰巖，層位穩定厚度大，底板為泥巖或粉砂質泥巖。

1.2 開拓方式與瓦斯涌出

1) 開拓方式

礦井采用混合開拓方式，布置有主斜井、副斜井、進風立井、回風立井4個井筒。全礦井劃分為2個采區，一采區采用一次采全高的采煤方法，二采區采用分層開采。礦井采用全部垮落法管理頂板。

礦井設計采用2個水平開采3號、15號煤層，一水平標高+596.48 m，開采3號煤層，該水平布置3條大巷：中央軌道運輸大巷、中央膠帶運輸大巷和中央回風大巷；二水平標高+512 m，開采15號煤層，該水平布置3條大巷：膠帶運輸大巷、軌道大巷和回風大巷。

2) 瓦斯涌出情況

礦井采用機械抽出式通風方法，通風方式為中央分列式，其中，主、副斜井和進風立井進風，回風立井回風。回風立井安裝2臺FBCDZ-8-No26B型對旋軸流式通風機，一臺工作，一臺備用。

經對3號煤層的煤與瓦斯突出危險性鑒定，伏巖煤業在+480 m以淺無煤與瓦斯突出危險，礦井屬于高瓦斯礦井。

2 試驗地點概況

結合礦井實際情況，選定北膠帶大巷和3103運輸順槽為試驗地點，試驗地點布置見圖1。

圖1 試驗地點布置圖

1) 北膠帶大巷概況。北膠帶大巷布置于3號煤層中，巷寬4.5 m，巷高5.0 m。根據煤層埋深資料，北膠帶大巷埋深350 m～401 m。煤層總厚度4.96 m，煤層傾角1°～8°。工作面掘進范圍內無斷層、沖蝕帶、陷落柱及火成巖，對掘進作業無影響。工作面基本頂為深灰色粉砂質泥巖，厚度9.24 m；直接頂為深灰色泥巖，厚度3.68 m；底板為灰黑色泥巖，厚度3.0 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通風機壓入式供風。

2) 3013運輸順槽概況。3013運輸順槽沿3號煤層頂板掘進，巷寬4.5 m，巷高2.7 m。根據煤層埋深資料，3013運輸順槽埋深310 m～335 m。煤層總厚度4.5 m，煤層傾角1°～8°。工作面掘進范圍內無斷層、沖蝕帶、陷落柱及火成巖，對掘進作業無影響。工作面基本頂為深灰色粉砂質泥巖，厚度9.16 m；直接頂為深灰色泥巖，厚3.73 m；底板為灰黑色泥巖，厚度3.11 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通風機壓入式供風。

3 瓦斯排放帶寬度數值模擬

根據實測試驗地點的瓦斯參數，并結合瓦斯流動理論，可以利用數值模擬軟件對巷幫煤體瓦斯排放帶寬度進行模擬，得出排放帶寬度數值，用于確定瓦斯含量實測時測試鉆孔的深度；也可以對不具備試驗條件的情況進行模擬，得出相應的瓦斯排放帶寬度，為排放帶寬度計算方法的建立提供數據基礎。本文選擇使用Comsol Multiphysics數值分析軟件來進行數值模擬。

3.1 瓦斯壓力、巷道斷面積相同，透氣性系數不同

設定原始瓦斯壓力為1.7 MPa，巷道斷面積22.5 m2，當煤層透氣性系數分別為0.1、0.3、0.5、1.0 m2/(MPa2·d)時，對應的數值模擬結果如圖2所示。

圖2 變煤層透氣性系數條件下，瓦斯壓力隨距煤壁表面距離變化關系圖

由模擬結果可知，當瓦斯壓力、巷道斷面積及暴露時間相同時，隨著透氣性系數的增大，相對應的瓦斯排放帶寬度也不斷增大。以暴露時間為200 d時模擬結果來看，煤層透氣性系數為0.1 m2/(MPa2·d) 時，相應巷幫瓦斯排放帶寬度為21 m；透氣性系數為0.3 m2/(MPa2·d)時，相應瓦斯排放帶寬度為25 m；透氣性系數為0.5 m2/(MPa2·d)時，相應瓦斯排放帶寬度為29 m；透氣性系數為1.0 m2/(MPa2·d)時，相應瓦斯排放帶寬度約為38 m。根據所做模擬實驗來看，當煤層透氣性系數更大值時，相對應的瓦斯排放帶寬度更大。可見，在其他條件相同時，透氣性系數增大，則相應的瓦斯排放帶寬度增大；透氣性系數相同時，隨著暴露時間的延長，瓦斯壓力變化梯度逐漸變小。模擬結果統計見表1。

表1 不同透氣性系數下模擬結果

3.2 透氣性系數、巷道斷面積相同，瓦斯壓力不同

設定煤層透氣性系數為0.3 m2/(MPa2·d)，巷道斷面積22.5 m2，當原始瓦斯壓力分別為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時，對應的數值模擬結果見圖3。

圖3 變原始瓦斯壓力條件下，瓦斯壓力隨距煤壁表面距離變化關系圖

由模擬結果可知，當煤層透氣性系數、巷道斷面積及暴露時間相同時，隨著原始瓦斯壓力的增大，相對應的瓦斯排放帶寬度也不斷增大。以暴露時間為200 d時模擬結果來看，當瓦斯壓力為0.5 MPa時，相應巷幫瓦斯排放帶寬度為12 m；當瓦斯壓力為1.0 MPa時，相應巷幫瓦斯排放帶寬度為20 m；當瓦斯壓力為1.5 MPa時，相應巷幫瓦斯排放帶寬度為24 m；當瓦斯壓力為2.0 MPa時，相應巷幫瓦斯排放帶寬度為29 m。可見，在其他條件相同時，原始瓦斯壓力增大，則相應的瓦斯排放帶寬度增大；原始瓦斯壓力也相同時，隨著暴露時間的延長，瓦斯壓力變化梯度逐漸變小。模擬結果統計見表2。

表2 不同瓦斯壓力下模擬結果

4 結語

隨著礦井開采深度的不斷增加以及綜掘巷道掘進速度的增大，礦井瓦斯災害問題日益突出。針對綜掘工作面不同于其他掘進工藝的特征，本文通過不同巷道、不同暴露時間下不同深度的瓦斯含量實測結果，分析其回歸規律，得出了合理的巷幫瓦斯排放帶寬度，為工作面的瓦斯防治工作提供參考。