高抽巷層位精確定位及瓦斯治理技術

李 蕾 廉常軍 鄧照玉

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

1 概述

目前，我國很多礦區已經開展了高抽巷抽采技術及應用方面的研究，在淮南、陽泉、平頂山等礦區已經得到了廣泛的應用，并在瓦斯治理方面取得了顯著的成果[1]。然而，傳統的高抽巷在層位選擇時，一般采用公式或者數值模擬的方法計算出裂隙帶的高度，然后依據經驗或者工程類比的方式確定高抽巷的層位，往往導致高抽巷的層位定位不精確，嚴重的影響瓦斯抽放和工作面的治理效果。

2 礦井概況及瓦斯涌出量分析

2.1 礦井概況

表1 煤層及瓦斯基本參數

本次以云南某礦為研究對象，該礦井分布有24 層煤層，其中穩定可采煤層8 層，各可采煤層間分布數層不可采煤層，礦井目前主要開采一、二采區的M2、M7 煤層。M2 煤層已鑒定為突出煤層，M7 煤層作為M2 煤層的保護層，在M7 煤層回采過程中，上隅角瓦斯頻繁超限，制約了礦井的安全高效生產。

2.2 瓦斯涌出量及分析

本次以120704 回采工作面為研究對象。首先采用分源預測法分析首采煤層瓦斯涌出量，經分析得出，本煤層以落煤和采空區的瓦斯涌出為主，瓦斯涌出量為7.32m3/min；以M2 煤層及上部不可采煤層的瓦斯涌出為主的上鄰近層瓦斯涌出量為7.87m3/min；以下鄰近層瓦斯涌出量為主的瓦斯涌出為0.96m3/min。

通過瓦斯涌出量分析可知，本次瓦斯治理的重點是本煤層的瓦斯涌出和上鄰近層的瓦斯涌出。可以采用在M7 煤層上覆巖層的裂隙帶內布置高抽巷的方式攔截上臨近層的瓦斯涌出，并能夠起到抽采本煤層瓦斯的作用。

3 采空區上覆巖層“三帶”分析

3.1 采空區上方“三帶”劃分

如圖1 所示，采空區煤層上方通常分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶介質較松散，其孔隙較大，成為主要的采空區流場；裂隙帶為瓦斯流動的通道，是高濃度瓦斯的聚集區，如果裂隙帶中的瓦斯沒有采取任何抽放措施，那么大量瓦斯會進入冒落帶，進而涌向回采工作面。影響礦井的安全生產。為此，采用在M7 煤層上覆巖層的裂隙帶內布置高抽巷的方式解決瓦斯頻繁超限問題。

圖1 采空區“三帶”圖

3.2 基于FLAC3D 數值模擬的上覆巖層運移規律

采用有限元數值模擬軟件FLAC3D 進行模擬研究采空區上覆巖層“三帶”的分布情況，根據煤層柱狀圖建立模型，本次數值模型的尺寸為X×Y×Z=198m×180m×90m，工作面長110m，沿Y 方向推進，180m，兩側巷寬4m，各留40m 的實體煤柱，模型在Z 方向留設長度為90m，其中，底板留設10m 巖層，煤層厚度為1.6m，上覆巖層總厚度為78.4m。模型如圖2 所示。

圖2 FLAC 3D 數值模型

通過數值模擬分析，通過截取采空區后方距離工作面不同距離的彈塑性破壞情況切片圖，得到如圖3 所示的一組彈塑性破壞區分布圖。通過分析可以得出表2 所示的采空區后方上覆巖層的運移變化情況。那么，采空區后方上覆巖層裂隙帶的高度為21.9m～55.2m。

圖3 采空區后方彈塑性破壞區

表2 采空區后方上覆巖層的運移變化表

4 基于RNG k-ε 模型的數值模擬分析

4.1 RNG k-ε 模型的建立

k-ε 模型是ANSYS FLUENT 數值模擬軟件中自帶的湍流模型。主要包括標準k-ε 模型和RNG k-ε 模型。相比于標準的k-ε 模型，RNG k-ε 模型具有精度高、考慮了低雷諾數情況下的粘性流動、考慮了湍流漩渦等情況。更適合采空區的流場[5-6]。

圖4 采空區數值模型

通過上一節可知，裂隙帶的高度范圍為21.9m～55.2m。M2煤層位于M7 煤層上方48m 處，M2 煤層位于裂隙帶中，M2 煤層的瓦斯會在回采過程中大量涌入回采工作面。根據裂隙帶的高度和上組煤層的位置，本次數值模擬高抽巷選取3 個不同的垂直位置，分別為煤層上方26m、34m 和42m 的位置。

建立ANSYS FLUENT 數值模型，模型沿走向長230m，沿傾向長118m，兩側進回風巷長寬高為20×4×3m，高抽巷的長寬高為20×3×2.5m，瓦斯涌出來源主要為：采煤工作面，采空區和上鄰近層。模擬過程中主要記錄回風巷和高抽巷的瓦斯濃度和風流流速。

4.2 RNG k-ε 模型數值模擬結果分析

根據高抽巷不同垂距下的數值模擬結果，通過數值模擬中對高抽巷瓦斯濃度和風流流速的監測結果，計算出不同垂距下高抽巷的抽采純量和抽采混量，如表2 所示，當垂距為42m 時，瓦斯抽采混量小，濃度高，抽采純量較小；當垂距為26m 時，瓦斯抽采混量高，濃度低，抽采純量小；當垂距為34m 時，瓦斯抽采純量最大。

圖5 不同層位高抽巷抽采效果模擬結果

表3 不同垂距高抽巷抽采效果表

通過對不同垂距高抽巷抽采后上隅角瓦斯濃度的監測，如表3 所示，隨著高抽巷垂距的逐漸增大，上隅角瓦斯也呈現出逐漸增大的趨勢，當高抽巷位于煤層上方34m 時，工作面上隅角瓦斯濃度能夠得到有效的控制，最大瓦斯濃度為0.75%。綜上所述，該礦高抽巷最佳位置為煤層上方34m 處。

5 現場工業試驗

根據上文確定的高抽巷層位，在該礦井120704 回采工作面上方34m 處布置高抽巷。為了有效的解決M2 煤層的瓦斯問題，該高抽巷兼作M2 煤層的底抽巷，向M2 煤層施工上向網格式穿層鉆孔，鉆孔見煤處間排距為7m。穿過煤層后向頂板穿巖長度1m，如圖6 所示。

圖6 120704 回采工作面高抽巷布置圖

采用該高抽巷布置以后，120704 回采工作面在回采過程中，上隅角瓦斯得到了有效的控制，上隅角最大瓦斯濃度為0.71%，120704 回風巷在落煤期間最大瓦斯濃度小于0.65%，沒有出現過瓦斯超限現象。通過合理的布置高抽巷的層位，為該工作面安全高效回采提供了保障。并且M2 煤層在M7 煤層開采后消除了M2 煤層的突出危險性。

6 結論

6.1 通過FLAC3D 數值模擬確定了裂隙帶的高度。通過RNG k-ε 模型對高抽巷瓦斯抽采情況和上隅角瓦斯濃度的模擬研究，進而精確定位了高抽巷的合理層位。

6.2 通過高抽巷的精確定位，有效治理了上隅角瓦斯超限問題。

6.3 對周邊礦井及類似礦井的瓦斯治理具有一定的借鑒意義。