采动裂隙带卸压瓦斯合理抽放效果分析

1、采动裂隙带卸压瓦斯合理抽放效果分析谢萍1 ，周利华2 ，肖艳1 ，欧阳鑫1（1.湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201）摘要：采动裂隙带为卸压瓦斯“解析、运移、集聚”提供主要通道，卸压瓦斯通过这些通道能源源不断的渗入采空区，再涌向工作面。分析采动裂隙带中卸压瓦斯的运移特征与提出合理有效地抽采裂隙带卸压瓦斯措施对确保回采工作面高安全高效生产意义重大。建立采动裂隙带卸压瓦斯运移FLUENT数值模拟模型，模拟分析确定U (U型通风模式)+L(内错尾巷)+走向高抽巷型通风模式下高抽巷和联络巷最佳布置参数以

2、实现最理想的瓦斯抽放效果，在此基础上提出U+L(内错尾巷)+走向高抽巷型立体化采动裂隙带卸压瓦斯治理方案。关键字：采动裂隙；卸压瓦斯；数值模拟；瓦斯抽放Numerical simulation analysis on migration law and drainageeffect of gas in mining fractured pressure relief zoneXIE Ping，ZHOU Lihua(Energy and Safet

3、y engineering institute ,Hunan university of science and technology，Hunan Xiangtan 411201, China; Hunan Provincial Key Laboratory of Safety Mining and Technology of Coal Mine, Xiangtan 411201, China)Abstract: The mining fractured zone provides the main channel for the "parsing , migration , gat

4、hered" of the pressure relief gas. These channels can be a steady stream of leading the pressure relief gas into the goaf, then again flocking to the face. It is significant to analyse the migration characteristics of pressure relief gas in mining fractured zone and propose the rational and eff

5、icient extraction measures of the fractured zone pressure relief gas for ensuring a safe and efficient production of stope. This paper established the FLUENT numerical simulation model of relieved gas in mining fractured zone, determined the high pumping Lane and contact air layout parameters in the

6、 ventilation mode of the U + L (Contact End Lane) + to the high pumping Lane type to achieve the ideal gas drainage effect by simulation analysis. On the basis of which the paper also put forward the three-dimensional mined crack zone relief gas control program of the U + L (Contact the tail Lane) +

7、 toward high pumping Lane-type.Keywords: pressure relief gas; mined crack; numerical simulation; gas drainage  1 引言上覆岩层在煤层采动过程中由于应力破坏产生的离层裂隙和穿层裂隙在顶板垮落后相互融汇贯通1，形成随工作面推进而动态演化分布的采动裂隙带，该区域为煤岩层中卸压瓦斯流动和储集提供了主要通道和空间，也为瓦斯渗流到采空区和工作面提供了主要通道。根据煤层开采后采动裂隙带的动态演化与分布特征，结合瓦斯渗流扩散力学、多孔介质流

8、体力学等理论，建立卸压瓦斯运移fluent数值模型2，模拟分析确定高抽巷和尾巷联络巷最优布置位置，对于提高瓦斯抽采效果，保障煤矿安全，具有十分重要的现实意义。2 采动裂隙带中卸压瓦斯运移特征分析工作面回采过程中，在煤岩层应力平衡打破后再达到新的应力平衡的过程中，上覆岩层裂隙带经历着卸压、失稳、变形、裂隙产生、重新压实的动态演化过程，裂隙带中瓦斯也经历着渗流扩散、聚集、饱和、涌出的运移过程3。因此，随着采动裂隙带分布的动态演化，瓦斯也会相继呈现流动、积聚、溢出的变化过程。(1) 由于支护上方煤岩涌出瓦斯局部积聚时不断增大的瓦斯压力作用下，以及受本煤层和邻近煤层瓦斯涌出的不均衡性影响，卸压瓦斯将会

9、沿着采动裂隙不断升浮流动。流动过程中由于受工作面漏风的影响，使得裂隙带中的混和气体与外围环境气体的密度差不断减小，瓦斯的升浮过程也就会慢慢趋于减弱直到停滞。再者因为气体垂直方向存在密度梯度以及空气密度相对瓦斯密度要大，造成采动裂隙带瓦斯由低浓度区不断升浮扩散到高浓度区，因此高浓度的瓦斯便会聚集在裂隙带上部的裂隙区域，从而使裂隙带上部瓦斯浓度高于下部瓦斯浓度。(2) 距离采煤工作面一倍周期来压范围内，岩体孔隙率较大，此范围内煤岩应力破坏较严重，瓦斯解析强度很高，因距离工作面较近漏风量也较大，因此风流对瓦斯的解析、运移起较强作用，瓦斯浓度相对还是较低。对于一倍周期来压到压实区边界处范围内，煤岩体孔

10、隙率小，采场漏风量减少，但受应力平衡破坏的影响此范围内的瓦斯解析程度依然很大，其中瓦斯浓度依然较高4。距工作面稍远处的采空区压实区，由于受矿压作用煤岩体孔隙被压缩，渗透率降低，因此瓦斯解析强度大大降低，采场漏风也不断降低甚至消失。(3) 回采工作面附近5，由于漏风量较大，在漏风作用下采空区涌出瓦斯向回风巷一侧运移，从而使工作面附近由进风侧起到回风侧瓦斯浓度逐渐增加；远离工作面，漏风量大大降低，但由于进、回风巷附近煤岩体孔隙率大，卸压瓦斯易于渗透进来，这样进、回风巷附近瓦斯浓度相对中部压实区浓度较高，形成两端高、中间低瓦斯浓度分布状况。(4) 在顶板周期来压时，会使得上覆岩层塑性变形时，造成动裂

11、隙体积突然压缩，进而使采动裂隙带煤岩体的孔隙率变小，这其中的卸压瓦斯便会从采动裂隙带急剧溢出，采场卸压瓦斯会出现周期性大量涌出。由以上分析可知，在卸压瓦斯运移储集的第一阶段，卸压瓦斯的运移及储集区域主要在上覆岩层顶部裂隙网络区域。第二阶段，当顶部裂隙区域瓦斯达到饱和后，就开始向周围裂隙区域扩散；在采空区深处的压实区煤岩体孔隙在矿压作用下被严重压缩，使得这一区域孔隙率大幅较低，瓦斯解析程度低，瓦斯渗流扩散很困难，卸压瓦斯运移主要集中在压实区外围裂隙网络区域6。第三阶段，卸压瓦斯通过裂隙区域的破断穿层裂隙随工作面漏风深入采空区与采空区煤岩遗留瓦斯汇聚到一起。3 采动裂隙带中卸压瓦斯抽放效果的数值模

12、拟分析本文模拟分析U+L（内错尾巷）+走向高抽巷型通风模式下采动裂隙带中瓦斯运移规律。模型的基本参数如下：考虑的采空区及其上方裂隙带成椭球形，俗称“椭抛带”，所以取工作面后方的采空区空间及其上覆岩层走向长160m，宽100m，高60m，顶部为边长40m的正方形所构成的一个棱台为基本模型。工作面宽100m，高3m；巷道宽4 m，高3 m。在靠近回风巷一侧距回风巷水平距离20m，与工作面垂直高度25m的位置的裂隙充分发育区域布置一条长60m，宽4m，高3m的高位抽采巷，高抽巷深入采空区上方裂隙带的位置与工作面水平距离为85m。回风巷外侧布置尾巷和联络巷，通过5段联络巷把尾巷和采空区联通，联络巷长1

13、5m，宽4m，高3m，每段联络巷的间距为30m；尾巷长180m，宽4m，高3m。模型的底部中间部分为采空区的压实区，长100，宽60，高20m，顶部为边长20m正方形所构成的棱台为模型。模型的通风系统设定进风量为2200 m3/min，进风巷进风口的速度为3.05m/s；整个模型空间的瓦斯涌出量为38.4 m3/min，考虑工作面漏风影响，气体组分为设为85% 瓦斯和15%的空气。3.1 联络巷与工作面最优距离的确定在模型建立时，初始设定的相邻联络巷之间的间距为30m，图1和图2分别是与工作面最近的联络巷距工作面10m、距工作面40m位置时工作面附近的瓦斯浓度分布图。由图1可以看出联络巷与工作

14、面水平距离为10m时，虽然瓦斯抽采浓度相对较高，联络巷可以引流更多的采空区深部的瓦斯，再经尾巷抽放出去，但是此时由于联络巷距离工作面太近，带出来的瓦斯扩散到工作面上隅角的风流死角区域后便会在这里积聚，造成上隅角瓦斯浓度严重偏高。图2去掉一段联络巷后，联络巷与工作面间的距离变为40m后，可以看出工作面上隅角大大降低了，由图1的2.96%降低到了图2的0.98%，整个工作面的瓦斯浓度降到0.1%之内，达到煤矿安全规定要求，大大改善了高瓦斯矿井工作面瓦斯涌出和回风巷上隅角的瓦斯积聚情况。但是当继续增大联络巷与工作面的距离时，距离工作面不远的深部采空区的瓦斯不能得到有效的抽放，工作面的瓦斯涌出量又会增

15、大，联络巷距离工作面太远抽放效果也不理想，因此模拟时选40m为瓦斯联络巷与工作面的最近距离。图注：图中红色颜色越深表示瓦斯浓度越高，蓝色越深表示瓦斯浓度越低，颜色由红色逐渐过渡到蓝色表示瓦斯浓度逐渐由高降低图1联络巷距工作面最近距离10m位置时工作面附近的瓦斯浓度分布图Fig.1  Concentration distribution map of gas near working face when the nearest distance of con

16、tact Lane and work surface is 10 m图2 联络巷距工作面最近距离40位置时工作面附近的瓦斯浓度分布图Fig.2  Concentration distribution map of gas near working face when the nearest distance of contact Lane and work&

17、#160;surface is 40 m3.2 走向高位抽采巷布置参数的确定走向高抽巷是沿工作面轨道顺槽内错一定距离在顶板上掘进一条走向岩石巷道将抽放管路与巷道连通，采动裂隙带中的卸压瓦斯流入高位抽放巷道被抽出7。现场经验表明，高抽巷抽采瓦斯的效率与高抽巷与工作面的垂高和它与回风巷的水平距离有关。（1）走向高抽巷与工作面最佳垂高的确定若把走向高抽巷布置在充分卸压的采空区上覆岩层垮落范围区域，能抽采到源源不断渗流、扩散过来的瓦斯以及采空区内部的瓦斯，因此能抽采更高浓度的瓦斯，但是由于此区域不稳定，高抽巷会随着工作面的推进很快就垮落破坏，难以维持持续抽采瓦斯，所以抽放

18、效果不明显。若将高抽巷布置在裂隙带上部区域，因靠近上邻近层可以更好抽采邻近层的卸压瓦斯，但却不能更好的抽采采空区内部的瓦斯，因此不能更好地防治采空区内部的瓦斯涌出，会增大工作面的通风压力。因此，走向高抽巷应布置在采动裂隙带靠近采空区垮落带的上部位置。可以依据下面经验公式大致推算出高抽巷与工作面的最佳垂高2： （1）式中，：走向高抽巷与煤层顶板的垂直高度，m； h：垮落带高度，m；：煤层倾角，（°）；h：防止高抽巷破坏安全保险高度，m。通过模拟U型通风条件下的裂隙带及其采空区的瓦斯运移情况，找出裂隙区域的瓦斯富集区的位置，再结合上面两个公式以确定高抽巷的最佳位置。通过下图3是U型通风条

19、件下的瓦斯浓度分布三维图，图中用黑色圆圈标记的地方是瓦斯浓度比较高适合高抽巷抽采的位置，此位置比较集中高度在30m到35m，考虑到高抽巷因布置在裂隙充分发育区域，因此取35m更合理些，这也与用公式(1)算出来的结果比较吻合。图3 U型通风条件下的瓦斯浓度分布三维图Fig. 3 Three-dimensional map of gas concentration distribution under the ventilation conditions of U type（2）走向高抽巷与回风巷最佳水平距离的确定沿煤层倾向，走向高抽巷应布置在充分卸压裂隙区域，但因回风巷一侧的采空区瓦斯浓度高，所

20、以高抽巷的位置也应该尽可能的靠近回风巷内侧，才能达到更好的抽采效果。但是如果高抽巷的位置太靠近回风巷内侧有可能不在裂隙充分发育区，靠中间区域虽能抽到裂隙带的瓦斯，但由于分流的作用又不能抽到被风流带到回风巷一侧的高浓度瓦斯。因此高抽巷应布置应该与回风巷有一个合理的水平距离，尽可能的深入裂隙带中高瓦斯浓度区域才能起到很好的抽采瓦斯的效果。根据以下公式可以算出高抽巷与回风巷水平距8： （2）式中，：回风巷附近断裂角，（o）；s：高抽巷伸入裂隙带水平投影长度，m。模型建立时高抽巷深入采空区的位置与工作面的水平距离为75m，图4分别是高抽巷与工作面垂高为35m，与工作面水平距离75m时，高抽巷与回风巷外

21、侧水平距离为15m、20m、25m位置时的瓦斯浓度垂直分布图。a高抽巷与回风巷外侧水平距离为20m b高抽巷与回风巷外侧水平距离为25m c高抽巷与回风巷外侧水平距离为15m 图4 高抽巷与回风巷不同水平距离下的瓦斯垂直浓度分布图Fig. 4 Vertical concentration distribution map of gas under the different horizontal distances of high suction tunnel and return tunnel由图4可以分析得出当高抽巷与回风巷水平距离为20m抽采效果最明显，高抽巷与回风巷水平距离为25m时，

22、虽然也可以很好的抽采裂隙区域的瓦斯，但是却不能很理想的抽采采空区底部靠近回风巷附近的瓦斯；高抽巷与回风巷水平距离为15m时，由于高抽巷太靠近裂隙区域边缘了，周围的岩层裂隙没用充分发育，渗透性降低，致使高抽巷的抽采效果减弱的较明显，不仅不能有效的抽采裂隙带中的瓦斯，连采空区和覆岩垮落带中的瓦斯抽采效果也很不理想。3.3 U+L(内错尾巷)+走向高抽巷型通风模式下采动裂隙带瓦斯运移规律模拟分析图5 U+L+走向高抽巷型通风条件下的瓦斯浓度分布图三维图Fig. 5 Three-dimensional map of gas concentration distribution under the ve

23、ntilation conditions of U+L+ toward high suction tunnel type图6 U+L+走向高抽巷型通风条件下工作面附近的瓦斯浓度水平和垂直分布图Fig. 6 the horizontal and vertical distribution of gas concentration near the face under the U+L+ toward high suction tunnel ventilation conditions上图5为fluent模拟U+L+走向高抽巷型通风条件下的瓦斯浓度分布三维图，由图5可知，由于采用了尾巷抽排与高抽巷

24、的抽采这双管齐下的抽采裂隙带和采空区瓦斯的方式，在工作面漏风的作用下能带动风流更好地深入采动裂隙带上部区域和采空区深部区域。由图5和图6分析可知，有了高抽巷的抽排作用，带动风流由采空区渗入带裂隙带中，有效的降低了裂隙带中的瓦斯浓度以及工作面的瓦斯涌出量。由图6 可知离工作面附近瓦斯浓度都在0.1%以内，回风巷和瓦斯上隅角瓦斯浓度都在1%内，可以看出通过采用U+L+高抽巷对采空区的瓦斯进行抽放和引排可以对采空区的瓦斯进行有效的抽放。通过尾巷联络巷的引排作用，工作面附近采空区靠近回风巷一侧的瓦斯可以很好的通过联络巷引流进入尾巷排放，因此有效的降低了工作面的瓦斯涌出以及工作面上隅角的瓦斯积聚，由图中

25、模拟结果可以看出上隅角附近的瓦斯浓度为在1%以下，有效的改善回风巷上隅角超限的问题，符合煤矿安全生产相关规定，达到了瓦斯抽放的预期目标。在采空区深部区域由于受矿压的作用垮落岩体孔隙被严重压缩，阻碍了气流的渗流和扩散作用，这个区域的浓度较高的瓦斯很难经过尾巷排放出来，因此这一区域瓦斯浓度比较高。通过模拟确定高抽巷的合理位置和尾巷联络巷距工作面的最优距离后，再模拟分析U+L(内错尾巷)+走向高抽巷型通风模式下裂隙带和采空区中瓦斯运移和分布规律，由上面的分析可知此通风模式可以有效的抽取裂隙带中的卸压瓦斯和采空区中的遗留瓦斯，有效地控制了工作面瓦斯涌出量，降低上隅角瓦斯积聚，能够达到保障采煤工作面安全

26、生产的目的。4 结论本论文对采动裂隙带卸压瓦斯运移特点进行了进一部的升入总结与分析，在其解析、运移、储集特征的理论分析的基础上建立采动裂隙带瓦斯运移规律的数值模拟分析。主要得出以下结论：(1) 采动裂隙带是卸压瓦斯运移聚集最主要区域，其内合理布置高抽巷抽排瓦斯和在回风巷一侧布置内错尾巷引排瓦斯是有效治理采动裂隙带瓦斯的有力措施。(2) 走向高抽巷的布置位置和联络巷与工作面的水平距离对抽采效果有显著影响，合理布置高抽巷的位置和选择联络巷距工作面的最佳水平距离是U+L(内错尾巷)+走向高抽巷通风模式下瓦斯抽放时要重点考虑的参数。(3) 采用U+L(内错尾巷)+走向高位巷型通风模式，上部通过高抽巷抽

27、采裂隙带瓦斯，下部通过联络尾巷引排采空区瓦斯，上下结合立体化抽采排放裂隙带卸压瓦斯的综合治理模式，可有效的抽放裂隙带卸压瓦斯。参考文献1 李树刚,钱鸣高,石平五.煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析J.煤田地质与勘探,2000，28(5):3133Li Shugang, Qian Minggao, Shi Pingwu. Study on migration and accumulation patterns of methane in the

28、60;coal mining conditions J. Coal Geology and Exploration ,2000，28(5):31332 林海飞.综放开采覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移规律及工程应用D.西安科技大学, 2009  Lin Haifei. Mechanized caving mining overburden rock fracture evolution and pres

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