顶抽巷层位设计与优化顶抽巷参数研究.pdf

第39卷第5期2023年10月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.5Oct.2023顶抽巷层位设计与优化顶抽巷参数研究王宜康1，赵丽娟1*，侯均洪2，吕媛媛1，李征祥1，李迎1（1.山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同 037009；2.重庆一三六地质队，重庆 401147）摘要：针对同忻矿的顶抽巷抽采瓦斯浓度不理想，达不到预期要求，无法实现完全抽采的问题，提出一种最优顶抽巷层位和顶抽巷垂距参数的模拟方法。首先通过分源预测和现场实测得到综放面的瓦斯涌出量，然后进行顶抽巷层位理论计算和分析，得出顶抽巷层位和顶抽巷垂距最佳参数，进而使用Gambit软件进行建模，对不同垂距条件下上隅角和采空区深部瓦斯含量进行分析，最后综合考虑瓦斯抽采效果的同时兼顾瓦斯防灭火压力。实验结果表明：顶抽巷层位选择在低位关键层下方，且顶抽巷垂距参数在20 30 m附近时效果最佳，可以有效解决同忻矿瓦斯抽采浓度不理想的问题。关键词：瓦斯抽采；顶抽巷层位；垂距参数；数值模拟中图分类号：TD821文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.05.024瓦斯灾害是煤矿安全生产中最严重的灾害之一1。结合同忻矿瓦斯治理经验，顶抽巷抽采是该矿瓦斯治理的主要手段，但是其顶抽巷层位基本是沿着煤层顶板进行掘进，水平内错距离一般为15 20m，经过多年的实践，顶抽巷瓦斯抽采浓度不到1%，无法达到完全抽采的目的2-4。因此，合理布置顶抽巷层位，优化顶抽巷参数是当前将同忻矿急需解决的问题。1 现场概况同忻矿8201综放工作面位于该矿二盘区，所开采的煤层是石炭二叠纪的3-5#煤层。工作面尺寸在走向方向长2 138 m，在倾向方向长217.4 m。煤层最薄处 2.31 m，煤层最厚处 23.42 m，平均煤层厚度达14.09 m，采用的开采技术为综放顶煤开采。8201工作面的西部与8202工作面的采空区相连，东部为实煤区，南部为三条盘曲大巷，北部为西8101工作面的采空区。煤层倾角3 11。工作面瓦斯含量约2.5 3.0 m3/t。近年来，随着开采范围不断扩大，采空区区域也不断加大，有害气体向工作面上隅角涌出的现象频繁出现，顶抽巷不能有效截流采空区中有害气体涌向工作面，因此，为提高顶抽巷抽采效果，有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题，提出优化顶抽巷布置层位方法，具有重要的实际意义52 瓦斯涌出来源分析方法和估算为了更好的预防井下瓦斯事故的发生，做好矿山安全防治工作，需要对综采工作面的瓦斯涌出量进行预测和分析6，通过对综采工作面的瓦斯来源和瓦斯涌出量进行分析和基本估算，可以大致掌握井下瓦斯的基本信息，有助于对矿井通风系统进行优化设计，使得井下瓦斯的防治效果更加有效。2.1 分源预测法同忻矿回采工作面采空区的瓦斯涌出量，可依照塔山煤矿已取得的成果计算。瓦斯涌出量预测报告中仅计算了同忻煤矿回采工作面的瓦斯涌出量构成比例，本设计依据特厚煤层综放工作面瓦斯涌出规律及瓦斯涌出量预测报告。回采工作面采空区的瓦斯涌出量及构成比例计算公式为：Q空=0.65q1+q2（1）式中：Q空为采空区瓦斯涌出量，m3/t；q1为开采层相对收稿日期：2023-03-05基金项目：2022年中国博士后科学基金2022M723391；2019年山西省高等学校科技创新计划项目2019L0754；2021年中央引导地方科技发展资金项目YDZJSX2021B021；2021年山西省高等学校教学改革创新项目J2021485；山西大同大学2022年研究生教育创新项目22CX41作者简介：王宜康（1998-），山东济宁人，硕士研究生，研究方向：瓦斯抽采。赵丽娟（1986-），女，安徽六安人，博士，副教授，通信作者。E-mail：文章编号：1674-0874（2023）05-0106-052023年瓦斯涌出量，m3/t；为工作面放煤比例；取0.76；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。8201工作面位于同忻矿二盘区，假设3-5#煤层北一盘区回采工作面相对瓦斯涌出量为3.44 m3/t，其中本煤层相对瓦斯涌出量为2.2 m3/t，邻近层相对瓦斯涌出量为1.24 m3/t。由式（1）计算得出，采空区相对瓦斯涌出量为 2.33 m3/t，采空区瓦斯涌出量约占8201综放面瓦斯总涌出量的68%。2.2 现场实测法对8201工作面的非来压期、初次来压期、周期来压期间，分别进行瓦斯浓度的测定。在工作面上部布置检测点，从煤壁到采空区一共布置三组测点，其中相邻两组测点直接的距离为6 m，其中一组测点的布置情况如图17。将测得的数据处理过后，按照从左往右序号依次增大得到的结果如图2，于是可得出煤壁和采空区所涌出瓦斯量在工作面整体风流里面所占的比例。计算公式为：k=C2L2C1L1+C2L2 100%（2）式中：k为采空区向工作面涌出瓦斯占工作面瓦斯总涌出量比例，%；C1为煤壁线到工作面测点最低趋势点的瓦斯浓度，%；L1为煤壁线到工作面测点最低趋势点的距离，m；C2为放顶线到工作面测点最低趋势点的瓦斯浓度，%；L2为放顶线到工作面测点最低趋势点的距离，m8。21234134测点1测点2测点3测点4图1 瓦斯测量点位置示意图0123456780.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0瓦斯浓度/%与煤壁距离/m初次来压期周期来压期非来压期图2 回风侧横截面瓦斯浓度分布图经计算，最终得到采空区向工作面涌出的瓦斯占工作面瓦斯总涌出量的比例：非来压期间72.83%，初次来压期间78.65%，周期来压期间79.67%。3 顶抽巷层位理论计算为进一步分析顶抽巷瓦斯抽采效果受到顶抽巷的层位布置以及顶抽巷与煤层顶板的垂直距离等因素的影响，需要确定顶抽巷的抽采层位以及顶抽巷垂距，如图3。为方便分析，顶抽巷布置的俯视图如图4。图3 顶抽巷水平位置示意图回风巷 顶抽巷切眼进风巷IId图4 顶抽巷布置俯视图由图3可以得出顶抽巷距离回风巷水平投影长度为：s=L+L（3）式中：L为卸压区距回风巷水平投影长度，m；L为保证顶抽巷充分卸压同时位于采动裂隙带因偏移卸压带水平投影长度，m。L=Htan(+)（4）式中：H为顶抽巷距煤层顶板垂直距离，m；为煤层倾角；为顶板岩石卸压角。顶抽巷要完全落在采动裂隙带中避开压实区，则顶抽巷距回风巷的水平投影距离s满足：s 45 m时，区域内流场的作用力减弱，虽然能抽到高浓度的瓦斯，但此时的瓦斯大多数都来自于因为瓦斯自身上浮力而聚集在此处的高浓度瓦斯。所以，抽采以后对于上隅角和采空区深部的瓦斯浓度影响不大。但是顶抽巷层位的布置会影响到采空区自燃发火的问题。会随着顶抽巷垂距的不断增加，采空区自燃发火的概率也随之增大。值得注意的是，在实际工作中同忻矿是一个瓦斯含量高的矿井，并且同忻矿的煤层大多是易自燃煤层。所以，考虑在实际运用中应该采用较低的垂距进行抽采以免发生瓦斯爆炸问题，并且还能满足采空区抽采瓦斯的要求。本次的数值模拟实验，在考虑顶抽巷瓦斯抽采效果的同时，兼顾考虑煤矿瓦斯防灭火的压力，但更多的还是考虑到瓦斯的抽采效果。5 结论（1）通过顶抽巷层位理论计算，得出顶抽巷层位选择在低位关键层下方，且垂距H为20m时，抽放效果最佳。（2）通过数值模拟实验，在考虑顶抽巷瓦斯抽采效果的同时，兼顾考虑煤矿瓦斯防灭火的压力，随着顶抽巷垂距的不断增加，采空区自燃发火的概率也随之增大。所以，综合考虑顶抽巷垂距H应该分布在30 m附近。（3）综合分析，顶抽巷层位选择在低位关键层下方，并且顶抽巷垂距H取20 30 m时，抽采效果最佳。参考文献1 耿文亮，董凯.平舒煤矿15110工作面顶抽巷空间定位数值模拟研究 J.山西化工，2019，39（4）：78-79.2 龚勋.综放工作面顶抽巷大直径钻孔导通技术研究 J.煤，2021，30（6）：55-56.3 李晨.8309面顶抽巷抽采气源测定与分析 J.江西煤炭科技，2023（1）：162-164.4 李丹.采煤工作面顶抽巷抽采气体来源及范围测定 J.山东煤炭科技，2022，40（8）：136-138.5 梁冰，陶永文，毕名娟.煤层瓦斯顶抽巷层位优化数值模拟 J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2018，37（6）：857-862.6 程攀.张集矿1111工作面顶抽巷位置对工作面瓦斯治理效果的数值模拟研究 D.太原：太原理工大学，2014.7 张丽丽，李诚玉，李昕.采空区瓦斯涌出量的几种计算方法 J.中国煤炭，2007（9）：72-73.8 秦帅.高瓦斯综放面走向顶抽巷布置与抽采技术研究 D.徐州：中国矿业大学，2014.9 王春桥.大佛寺矿走向顶抽巷瓦斯抽采参数优化研究 D.西安：西安科技大学，2013.Design of Top Extraction Roadway Layer and Research on Optimizing the Parameters ofTop Extraction RoadwayWANG Yi-kang1,ZHAO Li-juan1*,HOU Jun-hong2,LYU Yuan-yuan1,LI Zheng-xiang1,LI Ying1(1.School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Chongqing No.136 Geological Team,Chongqing,401147)Abstract:In response to the problem that the gas concentration extracted from the top drainage roadway in Tongxin Mine isnot ideal,cannot meet the expected requirements,and cannot achieve complete extraction,a simulation method is proposed to obtainthe optimal top extraction roadway layer and the vertical distance parameter H of the top extraction roadway.Firstly,the gas emission from the face was obtained through source prediction and on-site measurement;Then,the theoretical calculation of the top extraction tunnel layer is carried out,and the optimal parameters of the top extraction tunnel layer and the top extraction tunnel verticaldistance are obtained through calculation and analysis.Then,the GAMBIT modeling software is used to model and analyze the gascontent in the upper corner and deep goaf under different vertical distance conditions;Finally,taking into account both the effectiveness of gas extraction and the pressure of gas fire prevention and extinguishing.The experimental results indicate that the selectionof the top extraction roadway layer below the low key layer and the optimal effect of the vertical distance parameter H of the top extraction roadway near 20m 30m can effectively solve the problem of unsatisfactory gas extraction concentration in Tongxin Mine.Key words:gas extraction;top extraction roadway layer;vertical distance parameters;numerical simulation责任编辑 王东110