礦井沿空掘巷瓦斯分布規律分析

安 邦

（汾西礦業集團通風處， 山西 介休 032000）

1 工程背景

某礦屬于煤與瓦斯突出礦井，曾經多次發生煤與瓦斯突出，礦井主采二1煤層，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角為12°，煤塵無爆炸性，頂底板分別是黑色、砂質泥巖和灰黑色根土巖；煤層底板屬于灰黑色根土巖，間接底板是粉砂巖或細粒砂巖。

12051工作面西面是12032工作面，北面是12061工作面，東、南面是未采動區。煤層的平均厚度為4.2 m，煤層傾角為10°～25°，煤層層理節理發育正常，無自然發火期，煤塵無爆炸危險性。頂板巖性為砂質泥巖，厚度為7.66 m，老頂巖性為砂巖，厚度為5.87 m，直接底板的厚度為5 m，屬于泥巖，基本底的厚度為4 m，為砂質泥巖，巷道頂底板穩定，對巷道掘進影響不大。

12051工作面上順槽位于12051工作面上部，上順槽開口位于12302下順槽開口位置，以方位角170°沿煤層頂板掘進至切眼位置，地面標高為+150～+160 m，水平標高在-320～-280 m之間，設計走向長度為615 m，支護采用11號礦用工字鋼2.4 m×2.4 m梯形對棚支護，棚距為0.7 m，巷道凈高2.1 m，上寬2.2 m，下寬3.2 m，巷道布置如圖1所示。

圖1 12051工作面設計平面圖

2 模擬分析

2.1 模型建立

本次模擬是以某礦實際地質條件如煤層傾角2°，工作面長度是120 m，巷道走向長度500 m以及的煤巖層位置關系為基礎建立數值模型[1-3]。數值模型劃分網格單元共116 000個，節點共123 369個，整個模型范圍大小為280 m×500 m×260 m，其中X軸方向—水平向右；Y軸方向—沿煤層走向；Z軸正方向—垂直向上。

2.2 模型參數設定

含瓦斯煤巖層物理力學具體參數如表1所示。

表1 物理力學參數

采動煤體瓦斯流動基本參數如表2所示。

表2 瓦斯參數

2.3 模擬分析

1）煤層垂直位移（見下頁圖2）。

由圖2可知，工作面左側煤層發生最大垂直位移為4.35 cm，右側最大垂直位移為3.8 cm，且都發生在沿采空煤壁面[4]。

2）煤層水平位移（見圖3）。

由圖3可知，工作面左側煤層最大水平位移為1.29 cm，工作面右側煤層最大水平位移為1.4 cm，且都發生在沿采空區煤壁面上。

圖2 煤層垂直位移變化曲線

圖3 煤層水平位移變化曲線

3）煤層垂直應力計算結果（見圖4）。

圖4可知，在距沿空煤壁4～9 m的煤層內發生垂直應力集中，最大垂直應力為37.6 MPa。

4）煤層水平應力。

由圖5可知，距沿空煤壁8～15 m的煤層內發生水平應力集中，最大水平應力為18.8 MPa。

5）煤層瓦斯壓力分布（見圖6）。

圖4 煤層垂直應力變化曲線

圖5 煤層水平應力變化曲線

圖6 煤層瓦斯壓力分布曲線

工作面左右側煤層從煤體內向外至沿采空區煤壁面，在距采空區煤壁面向煤體內延伸大約11 m處瓦斯壓力驟然下降，由此可見，煤層瓦斯壓力在沿空卸壓帶內呈下降趨勢[5]。

3 模擬結果分析

1）基于二1煤層開采條件的數值模擬總結出，在工作面回采以后，煤體受采動影響，煤體發生應力變化，在距沿采空煤壁面8～15 m之間，煤體產生塑性破壞的區域。沿采空區的煤體分別表現為剪切和拉伸破壞兩種破壞形式，故而形成采動卸壓帶。

2）因為沿空采動煤體卸壓帶內部的瓦斯壓力和沿空煤壁面的瓦斯壓力不一樣，之間具有一定的壓力差，促使卸壓帶內煤體中的瓦斯向采空區涌出，形成瓦斯流動場，煤層中瓦斯壓力逐漸降低。數值模擬分析得出，瓦斯壓力在煤體內距沿空煤壁大約11 m處呈現出明顯下降趨勢。

4 結語

本文基于二1煤層開采條件的數值模擬分析研究表明，回采面回采之后，距沿空煤壁8～15 m的范圍產生塑性破壞，主要有剪切和拉伸破壞形式，從而形成采動卸壓帶。由于卸壓帶內部的瓦斯壓力與沿采空區煤壁的瓦斯壓力存在一定的壓力差，使卸壓帶內煤體中瓦斯向采空區涌出，形成瓦斯流動場，煤層中瓦斯壓力逐漸降低。數值計算結果表明，在煤體內距采空區煤壁大約20 m處，瓦斯壓力開始明顯下降。并且隨著沿空煤壁暴露時間的延長，瓦斯流動場范圍會逐漸擴大。