张聪华

（西山煤电马兰矿 ，山西 古交 030200）

0 引言

随着近些年煤矿开采机械化程度的提高，采煤工作面的开采强度日益增强，导致高瓦斯矿井面临的瓦斯威胁加剧，工作面上隅角、回风巷内瓦斯超限问题成为影响矿井生产效率和安全的重要因素。高抽巷瓦斯抽采技术是近些年新兴的一种对于解决上隅角瓦斯超限问题非常行之有效的技术手段，而高抽巷的布置层位、布置方式等是决定其应用效果的关键因素。为保证煤矿的安全高效生产，以1228工作面为研究对象，通过数值模拟、理论计算研究分析其高抽巷的相关参数，指导1228工作面瓦斯的治理工作，对于保证高瓦斯工作面的安全高效生产具有重要意义。

1 工程概况

山西离柳矿区某矿主采2、3号煤层，2号煤层厚0～3.13m，平均1.40m，属全井田稳定大部分可采煤层；3号煤层厚度0～1.85m，平均1.00m，属不稳定局部可采煤层；矿井为高瓦斯矿井；2、3、9、10+11号煤层之煤尘均有爆炸危险性；2号煤层属自燃煤层。矿井现开采2号煤层，矿井开采上组煤时设一个开采水平，水平标高+585m，2号、3号煤层联合开采，1228综采工作面走向长度1630m，切眼总长184m，切眼实体长176m。煤层采高2.85m，1228工作面采用U型通风，即1228运输巷进风，1228材料巷回风，1228综采工作面在掘进期间绝对瓦斯涌出量0.90m3/min，回采期间，绝对瓦斯涌出量9.75m3/min，工作面采用走向高抽巷抽采采空区瓦斯的治理方法。

2 高抽巷合理布置参数理论分析

2.1 高抽巷垂直布置层位

采煤工作面采用自然垮落法管理顶板，采空区上覆岩层根据其垮落情况，在垂直方向可分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[1]，在煤层上部岩层内布置用来抽放采空区瓦斯的高抽巷时，高抽巷与煤层顶板的垂直距离对瓦斯抽采的效果非常关键，采空区上覆岩层中的裂隙带，岩块之间裂隙非常大，空气连通性运移非常有益，采空区瓦斯容易在该层位汇集，因此将高抽巷布置在该层位中，将会取得更为理想的瓦斯治理效果，根据生产矿井地质报告得知2#煤顶板属于中硬围岩，则其冒落带和裂隙带的计算公式如下[2]：

冒落带：

裂隙带：

式中：m为工作面采高，1228工作面平均采高为2.85m，代入式（1）计算可得1228工作面采空区上覆岩层冒落带高度为15.29～19.69m，裂隙带发育高度为29.33～40.52m，由此可知，1228工作面采空区上覆岩层裂隙带发育范围为20～41m，走向高抽巷与煤层顶板的距离应尽量处于该范围内。

2.2 高抽巷水平布置参数理论分析

走向高抽巷通常布置在采煤工作面两个回采巷道之间，由于工作面回风巷道一侧瓦斯浓度相对较高，有益于高抽巷对于采空区瓦斯的抽采，因此高抽巷布置在回风巷一侧，即1228材料巷一侧，但是高抽巷与1228材料巷的距离不易太小，距离过小易导致高抽巷的风流和回风风流联通，导致回采巷道漏风，将影响工作面瓦斯的排放，根据相关的文献，高抽巷水平布置位置的理论计算模型如图1所示。

图1 高抽巷水平布置位置理论计算模型

高抽巷与1228材料巷水平距离计算公式[3]：

式中：S为高抽巷距1228材料巷的水平距离；△L为高抽巷抽采瓦斯充分卸压的范围；L1为确保高抽巷围岩稳定的水平投影长度；X为采煤工作面倾斜长度，1228工作面为184m；L距离1228材料巷不卸压的水平投影长度；L=，H为工作面采高，为2.85m，β为采空区上覆岩层卸压角，为72.5°，则 L=9.0m；L1=，α为上覆岩层冒落角，为67.5°，则L1=6.9m；以上参数代入式（4）计算可得△L=17.44m，则高抽巷距1228材料巷的水平距离S=24.34m。由此可知，为保证高抽巷抽采的独立性，其与1228材料巷的水平距离不小于24.34m，此外，高抽巷距离1228材料巷的水平距离要小于工作面长度的1/3（61.33m），则走向高抽巷和1228材料巷的水平距离应在24～61m范围内较合理。

3 高抽巷合理布置参数模拟研究

高抽巷的布置层位最终归结于对采空区瓦斯抽采效果的影响，为更加准确的确定1228工作面高抽巷的合理布置层位，以求达到较好的瓦斯抽采效果，采用Fluent模拟软件对不同高抽巷位置条件下采空区瓦斯抽采效果进行模拟分析[4]，首先采用Workbench-Geometry前处理器建立采空区物理模型，然后采用Mesh进行网格的划分，设置模型的相关参数、边界条件，然后通过Fluent进行求解。整个模型尺寸为190m（宽）×240m（长）×49m（高），高抽巷抽采负压为7.5kPa，进风口配风量为35m3/s，出风口为自由出口，高抽巷设置为压力出口。首先对高抽巷的垂直层位进行模拟分析，参考理论计算的结果，设计高抽巷距离煤层顶板分别为24m、28m、32m、36m，高抽巷距离1228材料巷的水平距离设置为30m。

图2 1228工作面采场网格模型

不同垂距条件下高抽巷内瓦斯抽采纯量、抽采浓度及上隅角瓦斯浓度的变化关系如图3所示，随着高抽巷与煤层顶板垂直距离的增大，上隅角瓦斯浓度及高抽巷抽采瓦斯浓度呈现逐渐增大的趋势，而瓦斯抽采纯量呈现先增大后减小的趋势，对于该种现象可进行如下解释，当高抽巷与煤层顶板垂距为24～28m之间时，高抽巷靠近采空区，高抽巷处于裂隙带的中下部，能有效抽采工作面瓦斯，故上隅角瓦斯浓度较低，但是由于回风巷的漏风导致瓦斯浓度和瓦斯纯量较低，对于裂隙带中上部的瓦斯抽采效果不佳；当高抽巷布置在距离煤层顶板32m处，高抽巷位于裂隙带中上部，能够有效抽采整个裂隙带的瓦斯，因此瓦斯纯量和浓度增高，由于距离工作面较远，因此工作面上隅角的瓦斯浓度较高；当高抽巷距离煤层顶板36m时，高抽巷位于裂隙带上部，距离采空区较远，采空区瓦斯上浮受到较大的阻力，采空区的瓦斯不能及时抽排，因此瓦斯的抽采纯量和抽采浓度下降；综上所述，高抽巷抽采后上隅角的瓦斯浓度均小于1%，满足要求，当高抽巷布置在垂距为32m时，对于采空区瓦斯的抽采效果最佳，因此确定高抽巷最佳布置垂距为38m。

图3 不同垂距下数值模拟结果统计

图4 不同水平距离条件下模拟结果统计

为确定高抽巷平面最佳的布置位置，参考理论计算的距1228材料巷合理范围为24～61m，对距1228材料巷水平距离为 25m、35m、45m、55m条件下的抽采效果进行模拟分析，模拟时高抽巷距底板的垂直距离为32m。通过对数值模拟结果整理得到图4，由图可以看出，随着高抽巷与1228材料巷水平距离的增大，上隅角瓦斯浓度逐渐增大，主要由于高抽巷距离上隅角距离越来越大；瓦斯抽采纯量和浓度呈现先增大后减小的趋势，当高抽巷距1228材料巷较近时，材料巷部分风流会涌入高抽巷，导致高抽巷无法抽采高浓度的瓦斯，因此随着水平距离增大，瓦斯的抽采纯量和浓度逐渐增大；当水平距离大于35m时，高抽巷抽采瓦斯浓度有效面积在缩减，且上隅角瓦斯浓度将维持在较高的水平。综上分析，显然将高抽巷布置在距离1228材料巷35m处时是最合理的。

4 结论和建议

针对高瓦斯矿井，为使走向高抽巷取得良好的瓦斯治理效果，通过理论分析计算得到高抽巷距煤层底板合理垂距的范围为20～41m，高抽巷与1228材料巷合理水平距离的范围为24～61m，采用Fluent模拟软件对不同垂距、水平距离条件下的抽采效果进行研究，进一步确定高抽巷布置在距采空区底板32m，距1228材料巷水平距为35m处的位置为高抽巷布置的最佳位置。研究结果为1228工作面高抽巷的布置提供可靠依据。后期的瓦斯抽采验证了高抽巷位置的合理性。