余吾礦高抽巷合理位置參數研究

武海濤

(山西潞安化工集團 余吾煤業有限責任公司,山西 屯留 046100)

近些年通過不斷加大煤礦開采的機械化程度,使得采煤工作面的采煤強度不斷增大,由此帶來的安全隱患也不容忽視。高瓦斯礦井的先進機械化開采導致瓦斯涌出量非常大,瓦斯超限等現象時有發生,瓦斯災害問題已經成為當前煤礦安全生產的主要隱患?；夭晒ぷ髅婊蚓蜻M工作面瓦斯涌出量超限會直接影響煤礦的安全生產和工作效率。因此,有效解決工作面瓦斯超限、上隅角瓦斯積聚等問題就成為當前研究人員的主要攻關方向。

張聰華[1]通過仿真模擬軟件Fluent模擬了高抽巷不同位置的瓦斯抽采,并對抽采效果進行了比較分析;安然等[2]利用采空區氣體滲流規律,通過構建模型研究不同位置高抽巷下氧化帶寬度;劉瑞濤[3]研究了頂板高抽巷的圍巖應力和形變規律,進一步確定了高抽巷布置的合理位置;張棟等[4]提出了“沿空留巷+高抽巷”聯合抽采手段,避免了瓦斯涌出異常,達到了安全開采效果;徐永佳[5]、薛智勇[6]在相似模擬實驗的基礎上,探討了高抽巷合理位置的布置原則;解俊祥等[7]采用數值模擬和實際相結合的方式,通過長時間的實地觀測確定了卸壓瓦斯抽采鉆孔終孔的合理位置,有效降低了工作面瓦斯濃度。官安龍等[8]以余吾煤業N1102工作面為對象,采用數值模擬的方法,計算分析了高抽巷內瓦斯分布情況,并通過現場數據監測驗證了采空區高抽巷的效果。莊小威等[9]分析了余吾煤業S5207高抽巷受臨近工作面采動動壓的影響規律,通過數值計算的方法得到了采動影響不同階段的特征。安朝峰[10]研究了高位巷道瓦斯抽采對煤自燃三帶的影響,采用理論分析的方法得到了高位巷抽采能夠使進風側的自燃帶增大,回風側自燃帶減小。李忠等[11]基于“O”形圈理論,提出了走向高抽巷層位的計算方法,并在陽泉礦區進行試驗驗證,實際測量值與理論計算結果相符。范尚崇等[12]為解決黃巖匯煤礦15108工作面回采期間上隅角瓦斯超限問題,通過理論分析與數值模擬相結合的方法,研究了不同層位下的高抽巷抽采效果,最終確定了高抽巷的層位以及瓦斯治理效果。王建國等[13]研究了高抽巷對采空區注氮放滅火的效果,通過改變注氮口的位置和注氮量,分析采空區自燃氧化帶的范圍。張利軍等[14]針對潞安集團漳村礦回采初期瓦斯涌出異常問題,采用貫通傾斜高抽巷的方法解決了瓦斯超限的這一問題。李忠等[15]采用數值模擬的方法對煤層群回采后的應力等特征。梁成等[16]采用Fluent軟件模擬分析了高抽巷的布置參數對采空區瓦斯與氧氣的分布情況。趙林等[17]模擬了高抽巷瓦斯抽采流量和位置不同時,回風巷內瓦斯濃度的變化規律。羅明坤[18]對比分析綜掘設備的效果,分析發現,引進的設備效果更好,日均進尺數、施工效率均得到很大提升。

以上學者對高抽巷的布置和影響因素做了詳細的研究工作,但是基于余吾煤業潞安礦區S5207工作面的實際問題:臨近工作面以及其周圍巷道對本工作面高抽巷位置的影響,尚未有學者對此類問題展開研究。

本文以S5207工作面高抽巷為研究背景,結合理論計算,通過數值模擬研究高抽巷的布置參數,解決臨近工作面以及其周圍巷道對本工作面高抽巷位置的影響這一問題,對S5207回采工作面的安全生產及同類井下實際問題提供了一定的依據。

1 高抽巷水平布置參數計算

距離煤層頂板的垂距和距離工作面回風平巷的水平距離是決定高抽巷位置兩個主要參數。公式(1)的計算可以得到高抽巷水平位置。

lS=[h-(lB+Hcotθ)tanα]sinα+(lB+hcotθ)secα.

(1)

其中:lS為距回風巷的水平距離,m;h為距頂板的垂距,m;lB為距O形圈外邊界的距離,可取15～25 m;θ為煤層與裂隙到開采邊界連線的夾角,取值為65°;α為煤層傾角,取7°。經求,lS=43.81 m。即高抽巷布置參數h為8.68～35.42 m,lS小于43.81 m。因此,S5207回采工作面布置高抽巷時應基本滿足以下條件:①S5207高抽巷應該布置在距工作面煤層頂板9～36 m的范圍內,距S5207回風巷水平距離應控制在43.81 m以內,這主要是裂隙帶的高度。②由于高抽巷需要在工作面整個回采前以及回采周期內持續工作,必須使得其在工作面掘進和推進過程中受到工程擾動影響盡可能最小,因此設置在應力降低區顯得尤為重要。③考慮到整個工作面是采用U型通風的方式進行送風作業,易在上隅角處形成瓦斯的積聚,在考慮到經濟和瓦斯抽采效果的基礎上,應盡量減少高抽巷距回風巷的水平距離。

2 模型建立與分析

采用FLAC3D軟件模擬井下開采情況,研究在臨近S5206工作面及其高抽巷的影響下,S5207高抽巷逐步開挖模型。模型的大小為=500 m×500 m×100 m。S5206高抽巷大小=3 m×3 m,順槽巷道大小=5 m×6 m,S5206工作面模型大小=295 m×440 m×6 m,模型如圖1所示。隨后進行計算至模型穩定。

距煤層頂板的垂距h的取值通過計算3號煤層回采工作面上方的裂隙帶高度來確定。采用工程類比法,結合相鄰礦井的經驗,h的取值為10 m、15 m、20 m。距S5207回風平巷的水平距離lS的取值要根據高抽巷布置原則、工作面長度和經濟技術條件進行選擇。本研究根據現場實際情況設lS為5 m、10 m、15 m。總共有高抽巷布置的9種方案,見表1所示。

(a)

(b) 圖1 計算模型(正視圖)Fig.1 Calculation model (front view)

表1 不同模擬方案Table 1 Simulation plans

3 高抽巷開挖應力對比分析

為了分析高抽巷超前應力的分布規律,對布置在高抽巷前方鉛直方向的測線應力進行監測、記錄,數據經分析處理后,如圖2所示。

1)從圖2(a)中可看出:垂距為10 m時,高抽巷與回風巷內錯距為5 m、10 m、15 m,超前垂直應力曲線均存在一個峰值。高抽巷與回風巷道內錯距為5 m時,隨超前距離的變化增長到5 m時應力增大到峰值為21.5 MPa。隨后,隨著超前距離的增加,超前垂直應力迅速降低,巷道超前距離在15 m以后的超前應力值降為原巖應力,為16.5 MPa。高抽巷與回風巷內錯距為10 m和15 m時,超前垂直應力在超前距離達到5 m時達到峰值,分別為18.5 MPa和18.2 MPa。隨著超前距離的增大,超前應力下降,分別降到17.0 MPa和16.7 MPa。

2)垂距增加到15 m時,超前垂直應力隨著超前距離的增加表現出先迅速增加達到峰值后又減小,恢復到原巖應力狀態。超前距離為5 m時,回風巷的內錯距為5 m、10 m的超前垂直應力達到最大峰值17.8 MPa。內錯距為15 m時,超前垂直應力在5 m時達到峰值16.5 MPa。從圖2(b)中可以看出,隨著內錯距的增加,超前應力的峰值和穩定值都會呈現規律的變化趨勢。監測3種不同垂距條件下的超前應力發現,隨著高抽巷與工作面回風巷的內錯距增大,超前應力的峰值和穩定值均呈現很明顯的下降趨勢。當垂距為10 m時,內錯距對超前應力的影響最大。但是內錯距繼續由10 m增大到15 m時,超前應力的變化量又出現減少。

3)從圖2(c)中可以看出,高抽巷與回風巷道內錯距為5 m、10 m和15 m時,超前垂直應力隨超前距離的變化曲線均表現出先增加到一個小的波峰,隨后有一個小的下降過程,又迅速增加大峰值,最后下降并保持一穩定數值附近。高抽巷與回風巷內錯距為5 m時,超前垂直應力在超前距離為8 m左右時出現最大峰值,為17.2 MPa,隨超前距離的增加,最后降為16.7 MPa左右。高抽巷與回風巷內錯距為10 m和15 m時,其超前垂直應力變化曲線與高抽巷與回風巷內錯距為5 m時變化趨勢基本相同。

綜合分析圖2(a)、(b)和(c)發現,隨著垂距的增加,對頂板超前應力的影響效果也隨之降低。在15 m和20 m的垂距設置條件下,頂板超前應力的峰值和穩定值均呈現持續降低趨勢。當高抽巷垂距超過20 m時,打抽放鉆孔會增加更大的生產投入成本,而且耗費時間。

(a)垂距為10 m時的超前應力分布

(b)垂距為15 m時的超前應力分布

(c)垂距為20 m時的超前應力分布圖2 不同層位高抽巷超前應力分布曲線圖Fig.2 Distribution curves of advance stress of high drainage roadway at different locations

對布置的水平測線進行應力測試,測試結果如圖3所示。從圖3(a)中可以看出垂距為5 m時,高抽巷距離頂板垂高不同,兩幫側應力與水平距離之間的關系。垂高為10 m與垂高為15 m和20 m時兩幫側應力分布曲線存在較大差別。垂高為10 m時,呈現出現迅速上升,在水平距離為3 m時出現第一個小的波峰,隨后增長速度緩慢,在水平距離為7 m時出現第二個波峰,波峰值達到20.5 MPa;然后開始呈下降趨勢,在水平距離為30 m左右時出現上升速度較快,出現一個比較陡的波峰,隨后迅速下降。垂高為15 m和20 m,兩幫側應力曲線形狀相似,垂高為15 m的曲線各點波峰值均高于垂高為20 m的曲線。初始應力值也不相同,垂高為15 m的初始側應力值為15.1 MPa,大于垂高為20 m的初始側應力值(13.2 MPa)。從圖3(b)中可以看出,垂距為10 m時,垂高為10 m的側應力曲線變化最明顯。垂高為10 m時初始側應力值為17.0 MPa,隨著水平距離的增加,兩幫側應力曲線呈現出先緩慢增長后緩慢下降,后又逐漸上升,在水平距離為10 m左右時存在一個波峰,峰值在19.0 MPa。垂高為15 m和20 m時,兩幫側應力曲線形狀與垂距為5 m時的曲線相似,只是初始側應力值和側應力降為零時所對應的水平距離邊長,在30～35 m范圍內。

(a)垂距為5 m時的側應力分布

(b)垂距為10 m時的側應力分布

(c)垂距為15 m時的側應力分布圖3 不同層位高抽巷側應力分布曲線圖Fig.3 Distribution curves of lateral stress of high drainage roadway at different locations

從圖3(c)中可以看出垂距為15 m時,高抽巷距頂板垂高為10 m、15 m和20 m時兩幫側應力曲線,與垂距為10 m時變化趨勢基本相同,初始側應力值和側應力值降為零時所對應的水平距離略有不同。隨著垂距的增加,垂高為15 m和20 m的兩幫側應力降低為零時的水平位移發生了外移。垂高為10 m時兩幫側應力值在垂距為10 m和20 m時變化比較平穩。

對水平測線進行應力測試,測試結果如圖4所示。從圖4(a)中可以看出,垂距為10 m時,高抽巷與回風巷內錯距為5 m時頂板垂直應力初始值為19.4 MPa,高于內錯距為10 m和15 m時的初始垂直應力值。隨著垂直距離的增大,垂直應力值逐漸減小,在大約28 m處,三條曲線的頂板垂直應力值相同,均降到13 MPa左右。從圖4(b)中可以看出,垂距為15 m時,三條垂直應力的初始值均減小。內錯距為10 m和15 m的垂直應力曲線基本重合。內錯距為5 m的垂直應力曲線波動比較大,最后三條曲線隨著垂直距離的增大,應力值保持在12.3 MPa附近。圖4(c)中,內錯距不同時,三條曲線的初始垂直應力值相比于垂距為15 m時,變化很小。頂板的垂直應力隨著距離的增大均緩慢下降,最后趨于穩定,保持在12.4 MPa附近。

(a)垂距為10 m時的垂直應力分布

(b)垂距為15 m時的垂直應力分布

(c)垂距為20 m時的垂直應力分布圖4 不同層位高抽巷垂直應力分布曲線圖Fig.4 Distribution curves of vertical stress of high drainage roadway at different locations

綜合分析,端頭處的垂直應力的大小不僅與垂距有關,還隨著內錯距的增加而降低。尤其是在垂距為10 m時,當內錯距由5 m增大到10 m時,垂直應力降低的變化量最大,約3 MPa;但隨著垂距增加到15 m和20 m,增大內錯距對垂直應力變化量的影響降低。因此,高抽巷距離S5207工作面頂板10 m垂距的位置最為合理。

4 結語

為了確定余吾煤業潞安西部礦區S5207工作面高抽巷的位置,確保S5207工作面回采工作時能夠平穩地進行瓦斯抽放,并保證工作面的安全與穩定,采用FLAC3D建立了S5207高抽巷在臨近S5206工作面及其高抽巷影響下的三維數值模型。通過研究分析S5207高抽巷布置在距離工作面回風巷內錯5 m、10 m、20 m,與煤層頂板垂距為10 m、15 m、20 m時的超前垂直應力、兩幫垂直應力、兩幫側應力的變化來確定巷道的最佳布置位置。結果表明:最終確定S5207工作面高抽巷的最佳位置是與煤層頂板垂直距離為10 m,與S5207工作面回風巷內錯距為10 m時能夠保證其受到合理的地應力影響從而保持安全穩定的運行狀態。