王海凤，王晓东，赵喜峰，闫志铭，孙浩石

(1.山西华阳集团新能股份有限公司，山西 阳泉 045000；2.山西平舒煤业有限公司，山西 阳泉 045000；3.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083)

0 引 言

现阶段中国煤炭资源开采渐渐向深部转移，工程中面临的“三高一低”[1-3]的复杂地质环境愈加严重[4-6]，煤炭资源回采时的瓦斯排放量居高不下，导致瓦斯灾害情况难以根治。在面对该矿区瓦斯含量高[7]、渗透性低和地质条件复杂[8]等情况时，单一的保护层开采[9-12]、采空区埋管抽采及大面积走向(倾向)穿层钻孔[13-15]等方法已不能有效解决深部矿井开采所带来的瓦斯来源多且复杂等难题。由于采空区瓦斯溢出严重及剥落煤壁瓦斯释放量大、邻近瓦斯涌出量占比较高等导致工作面及上隅角瓦斯浓度居高不下，已经严重限制了矿区工作面的安全高效开采。为合理抽采煤层赋存瓦斯的同时避免瓦斯事故的发生，深部采煤工程必须进行瓦斯抽采。目前，在工作面顶板布置低位巷是处理高瓦斯突出危险性和低透气性煤层等复杂抽放环境的一种有效方法。其中低位巷的掘进会对巷道附近煤岩体的应力场与渗透率分布场进行重塑，其层位布置参数选取优劣程度则影响着瓦斯抽采工作的实施效果。

近年来，阳泉矿区提出了高低位瓦斯协同抽采技术：即采前掘进低位巷并在其内部设计下向穿层钻孔预先抽采煤层条带瓦斯，再利用高位巷抽采邻近煤层瓦斯，实现了降低工作面瓦斯浓度的目的。其中低位巷的层位布置是该技术达到良好抽采效果的关键步骤。近年来，学者们围绕低抽巷的层位布置做了大量研究。刘志伟等基于底板滑移线场理论与FLAC3D数值模拟得出了低抽巷的合理布置范围[16]。蒋先统借助覆岩矿压规律、关键层理论和AE效应，建立了采动裂隙区分布情况及覆岩块体破断结构模型，最终获得了导水裂隙带最佳高度以及顶板高抽巷的设计位置[17]。刘继勇和张丽娜等基于覆岩破坏“O”型圈理论，根据FLUENT模拟结果来指导顶板布置低位巷的精确布置方案[18-19]。XU和程志恒等还利用COMSOL模拟了抽采时间及布孔间距对瓦斯抽采效果的影响[20-21]。徐超及张国建等通过高低位瓦斯抽采组合巷道形成的立体抽采技术对本煤层及邻近煤层瓦斯进行抽采，显著降低了工作面瓦斯浓度[22-23]。另外还有很多学者在上隅角瓦斯治理[24-27]方面也做了大量研究，取得了显著成果。但是在高瓦斯煤层群环境下的低位巷对下伏煤体采动效应及煤层预抽影响研究较少，且如何获得低位巷的最优布置区域及其各项参数，也是摆在研究人员面前的一道难题。

以华阳集团平舒煤矿为研究背景，通过FLAC3D模拟研究不同低位巷布置方案下15#煤层的应力分布及变形特征，选择最佳的低位巷及下伏回风巷道布置参数。该模拟结果在平舒煤矿15#煤层15211工作面设计应用并考察了该技术的瓦斯治理效果，为高瓦斯煤层群低抽巷采动卸压瓦斯治理提供理论依据，以期达到瓦斯综合治理技术升级和突破瓦斯制约生产“瓶颈”的目标。

1 数值模拟参数设定

1.1 工程背景

平舒煤矿位于沁水煤田北部，该矿采用主立副斜综合开拓方式，已探明可采煤炭资源储量为34 008.3万t，矿井瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井。该矿区煤层赋存较多，主采为3#，6#，8#，9#，12#，15#煤层。15#煤层位于K2下石灰岩之下，煤层赋存稳定，平均厚度为2.5 m，瓦斯压力为2.48 MPa左右，原始瓦斯含量约9.83～20.74 m3/t，15#煤层吸附能力强，吸附常数a=36.046 2 m3/t，b=1.427 5 MPa-1，煤层透气性较差，且该煤层具有瓦斯突出危险性。

15211工作面位于15#煤层西采区，工作面走向长为1 112 m，倾斜长为200 m，总体形态为北高南低的单斜构造，采用倾斜长壁综合机械化采煤工艺，并利用全部垮落法管理采空区顶板。经计算，该工作面预计回采期间瓦斯绝对涌出量为8.09 m3/min，15#煤层上邻层有可采煤层12#，不可采煤层11#，13#，14#煤层，下邻近层为15#下层，除此之外还有多层富含瓦斯的石灰岩，统计可得邻近层绝对瓦斯涌出量为36.1 m3/min，可见邻近层绝对瓦斯涌出量要远高于本煤层回采绝对瓦斯涌出量，占总瓦斯涌出量81.69%。为有效治理工作面回采过程中的原始瓦斯和卸压瓦斯，该矿近年采用高低位瓦斯协同抽采技术(图1)，即通过布置“U型”通风系统配合顶板高低位巷道联合抽采系统，以此预防工作面及上隅角瓦斯超限。

该模型是根据15211工作面所处地层柱建立的。平舒煤矿煤层的平均倾角约为6°，在模型中被视为水平层。模型尺寸为300 m×80 m×80 m(x×y×z)，其中x为走向，y为倾角方向，z为垂直方向(图2)。模型中限制了四周的水平位移和底部的垂直位移，并在顶部施加一个均匀的垂直载荷(11.8 MPa)，以模拟真实条件下472 m的覆岩重量。节理面的破坏规律采用库仑滑移准则，块体破坏模式采用莫尔库仑模型。岩石力学参数见表1[28-29]。低层巷道布置在模型水平中心的砂质泥岩中，从离边界50 m处沿x方向水平掘进，模拟时总长度为200 m。

根据以往所在井田开拓的实际经验，巷道尺寸一般设定为4.0 m×2.5 m(宽×高)，低位巷与煤层垂直距离平均为4.7 m，其中因巷道层位方面缺乏理论依据，因此文中模拟中主要分析垂直距离为3，5，7 m时的巷道掘进采动效应，最终确定最佳垂距值。

表1 物理力学参数设定

2 模拟过程及结果分析

2.1 不同垂距下的围岩垂向应力影响分析

分别输出低抽巷距15#煤层垂距为3，5，7 m，工作面掘进50，100，150，200 m时15#煤层的走向及倾向垂直应力云图，走向俯视垂直应力云图及倾向切面垂直应力云图(黑色区域为15#煤层)如图3、图4所示。

由图3可知，受低抽巷采动影响，下伏15#煤层产生了不同程度的卸压效果，垂直应力最小值均出现在低抽巷正下方，且走向卸压范围随着低抽巷掘进不断增大，倾向卸压范围无明显变化，整体卸压区域呈“条带状”分布。当垂距为3 m及低抽巷掘进至100 m时，15#煤层工作面四周煤岩体产生了明显的应力集中，而当垂距为5，7 m时，明显的应力集中则出现在低抽巷掘进至150 m时。应力集中区位于低抽巷掘进工作面巷道帮的正下方且向两侧扩散展开，其范围随着垂距的增大(即低位巷远离)而逐渐减小。

由图4可知，由于低抽巷的掘进，巷道周边围岩应力重新分布，巷道中部产生卸压效果并进一步影响至15#煤层，煤层卸压程度随垂距增大而逐渐减弱，而卸压区范围却有所增大。巷道两帮(蓝色区域)产生明显应力集中，应力集中效应随着采掘活动逐渐向下部煤岩体传递最终影响到15#煤层。对比不同垂距下掘进200 m时的煤层应力状态可知，煤层与低抽巷间垂距越小，越先受到低抽巷采掘活动影响且影响程度越剧烈。

结合图5可知，低抽巷掘进引起的煤岩体应力重新分布呈现非均匀性，倾向方向巷道两侧区域产生明显应力集中，而走向方向则不明显，最大应力值保持在原地应力的13.0 MPa左右。因掘进巷道尺寸远小于煤层范围，故煤层围岩受扰动程度并没有过分剧烈，原始煤岩结构可以承受低位巷掘进所带来的应力扰动。

根据应力的分布规律，将15#煤层倾向方向分为原岩应力区、应力集中区、采动卸压区；走向方向分为原岩应力区和采动卸压区。低抽巷距煤层分别为3，5，7 m时，15#煤层垂直应力最小值分别为11.50，11.95，12.20 MPa，与原地应力13 MPa相比，降幅分别为11.54%，8.08%，6.15%。采动卸压区范围依次增大，分别为低抽巷两侧-8～8 m，-10～10 m及-12～12 m，应力集中区范围依次减小，分别为巷道两侧8～25 m，10～25 m以及12～25 m。

2.2 不同垂距下的围岩膨胀变形影响分析

通过对15#煤层上下两面位移量的提取，得到15#煤层的绝对变形量，除以15#煤厚度，得到15#煤的膨胀变形量，并利用Matlab绘制低抽巷开挖200 m后15#煤层变形分布特征，如图6所示。由于低抽巷的掘进，15#煤层相对原始状态发生了膨胀变形，整体上呈“倒V”型斗状对称分布。最大膨胀变形量出现在低抽巷正下方，且随垂距增大而逐渐减小，也代表膨胀变形效果随巷道高度的增加而逐渐衰减。

不同垂距下15#煤层走向及倾向中部膨胀变形量曲线如图7所示。由图7(a)可知，煤层走向膨胀变形范围随低抽巷掘进不断增大。低抽巷掘进至50 m时，3种方案下15#煤层的最大膨胀变形量依次减小，分别为0.322%，0.274%，0.241%，表明卸压程度随垂距增大而减小。当掘进至200 m时，煤层膨胀变形程度有所降低，产生了一定的变形恢复但仍处于应力释放状态。

低抽巷掘进200 m后，绘制垂距分别为3，5，7 m时15#煤层膨胀变形量曲线，如图7(b)所示。当低抽巷与待掘煤巷垂距分别为3，5，7 m时，煤层最大膨胀变形量分别为0.314%，0.263%及0.235%，膨胀变形效果随垂距增大逐渐减弱。倾向膨胀变形区范围依次增大，分别为低抽巷两侧-6～6 m，-8～8 m及-10～10 m。

3个垂距模拟方案的综合效果比较见表2。首先从15#煤层卸压增透的角度考虑，垂距为3 m时，由于垂距相对靠近煤层，巷道掘进带来的卸压及变形采动效应使得两者之间的岩体裂隙充分发育，再配合低位巷下向穿层钻孔可使瓦斯运移通道进一步扩展，有效掩护回风巷条带实现消突，但是因后期回风巷施工的再次影响，巷道围岩经受多次扰动，局部区域围岩破坏程度增大会使巷道稳定性降低，诱发巷道结构失稳破坏等不良后果，周期维护困难。垂距为7 m时，15#煤层卸压效果最弱，且在此层位施工下向穿层钻孔也将增大钻孔平均长度，徒增工程量以及时间人工经济成本。因此，为达到良好的瓦斯抽采效果并考虑到经济成本因素，垂距为5 m为本次模拟结果的最佳距离。

表2 不同垂直距离的综合比较

2.3 合理参数选取分析

辅助巷道抽排瓦斯是消除减缓深部高瓦斯煤层中瓦斯突发的主要方法之一。低位巷作为辅助巷道的一种可以在通过向下的交叉层钻孔排出煤巷的带状瓦斯，还可以辅助排出上隅角和附近煤层瓦斯。

其在掘进过程对煤和岩石的应力分布、破坏和穿透性能有着很大影响。因此，不同的低位巷布置对下伏煤层有不同程度卸压和提高渗透性的作用，直接影响到瓦斯排放效率和待掘进的回风巷道的层位布置。在过去，由于平舒煤矿缺乏科学数据，低水平巷道的布置通常利用经验参数。这种经验方法最终导致抽采率低，甚至无法达到预期的抽采效果，这对现场施工环境是极其危险的。因此，本研究进行了具有代表性的数值模拟分析，得到了不同低位巷垂距参数下15#煤层的应力分布和变形特征，以此指导瓦斯抽放和回风巷道的科学布置。数值模拟结果表明，低位巷道煤层的垂直距离(5 m为最优参数)是影响煤层应力扰动的最直接因素。根据平舒煤矿以往的巷道设计方案，考虑到经济效益、维护巷道稳定、施工和测量设备高度等因素，低层巷与煤层之间的垂距建议定为5 m。

如图8所示，根据煤层倾斜方向的应力再分布情况，回风巷道应避开以低位巷道为中心的两侧8～40 m的应力集中区。相反，回风巷道建议布置在0～8 m的卸压范围内，且越靠近低位巷，卸压效果越好(距中心0～6 m为最佳距离)。由于该范围煤层变形较大，产生纵横交错的裂缝，有利于形成瓦斯泄压通道，从而提高钻孔的瓦斯排放效果。所以排瓦斯工程应安排在低位巷掘进形成的卸压区和裂隙发育区。另外，回风巷道不宜直接布置在低位巷道正下方，因为两巷道之间的距离过近，回风巷道掘进时，低层巷道的围岩受到二次开采的影响，破坏程度加剧，增加了巷道维护的难度。因此，回风巷道应偏离低层巷道中心2 m以上。取上述涉及的合理范围的交集，可以得出2个巷道之间的最佳水平距离为2～6 m。 此外，15211工作面在开采期间采用“U型”通风，受漏风规律的影响，回风巷道至工作面边界煤壁1/3处的瓦斯浓度在开采期间明显高于其他位置[30]。

综上所述，15211工作面回风巷道的合理布局为：沿15#煤层走向掘进，与工作面垂距为5 m，按照相似邻近工作面的一般施工经验参数，设计为矩形断面，尺寸5.0 m × 2.6 m，向外布置4 m的低位巷道。

3 工程应用

根据上述分析，在平舒煤矿15211工作面施工顶板低位巷，巷道尺寸为5.0 m×2.6 m，位于工作面顶板上部5 m的砂质泥岩中。15211回风巷掘进期间，沿低位巷走向共施工150个钻场，每个钻场施工14个穿层钻孔抽采混合瓦斯气体，以控制回风巷卸压范围内瓦斯浓度。为了考察瓦斯预抽效果，统计了6个月3个代表性钻场的气体抽放数据，其中每个钻井场捕获的瓦斯量是14个钻孔的排气孔的总量，如图9所示。

由图9可知，瓦斯抽放混合量稳定在0.25～0.33 m3/min，瓦斯抽放浓度为30%～70%，瓦斯抽放平均浓度约为55%。混合气体抽采前期即0 d至120 d内，瓦斯抽放混合量和钻孔瓦斯浓度均保持在较高水平；到120 d后的瓦斯抽采后期，虽然气体抽采总量维持不变，但瓦斯抽采纯量已逐渐低于整体平均值。该现象也证明了低位巷及其施工的穿层钻孔持续收集卸压范围内的游离及吸附瓦斯到一定量后，煤层内瓦斯残余瓦斯浓度下降，同时证明了下向穿层钻孔预抽煤巷瓦斯取得了良好的试验效果。

在回风巷道掘进过程中，根据《煤与瓦斯突出防治细则》规定的临界值，对煤与瓦斯突出危险性指标进行了预测。预测结果如图10所示。钻屑瓦斯解吸指数K1为0.21～0.35 mL/(g·min1/2)，小于临界值0.5 mL/(g·min1/2)；钻屑量S为2.4～3.7 kg/m，小于临界值6 kg/m，均未超过临界值，证明消除了煤巷煤与瓦斯突出的危险性。另外，15211回风巷原始瓦斯含量为11.74 m3/t，掘进期间残余瓦斯含量为7.21 m3/t，吨煤平均含气量下降了约4.5 m3。并且回风巷月平均掘进速度为140 m，侧面证明了高效的瓦斯抽放效果对回风巷施工方面的增益作用。

4 结 论

1)低抽巷掘进对15#煤层工作面应力环境扰动呈非均匀性。根据应力分布规律，15#煤层的走向方向分为原状应力区和应力释放区，倾斜方向分为原状应力区、应力集中区和应力释放区。

2)3种不同垂距的数值模拟方案得出：当低位巷与煤层的垂直距离为5 m时，15#煤层的倾向应力释放范围为低层巷道中心线两侧共16 m。最大应力释放度约为13.90%，最大变形量为3.20%。在这种巷道布置下，综合应力释放效果最好，有利于瓦斯卸压和抽放。

3)15211工作面的低位巷道布置在距15#煤层顶板上方5 m的砂质泥岩中，巷道宽度为5 m，巷道高度为2.6 m，应用结果表明，在这种布置下，15#煤层的卸压和增强透气性效果明显。通过下向穿层钻孔施工强化气体抽采，可以有效地消除回风巷中的煤层瓦斯突出，达到安全快速掘进煤炭巷道的目的。