袁勝軍 魏 雷

（山西大同大學(xué)，山西大同 037003）

華晉焦煤沙曲礦綜掘面瓦斯抽采防突參數(shù)的優(yōu)化

袁勝軍 魏 雷

（山西大同大學(xué)，山西大同 037003）

運(yùn)用ANSYS10.0對巷道掘進(jìn)工作面兩幫以及工作面深部應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬及解算，得出了巷道兩幫的應(yīng)力分布狀況，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了瓦斯抽采鉆孔的布置方式及合理參數(shù)，對于有效防治煤與瓦斯突出，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)具有重要的意義。

瓦斯運(yùn)移；瓦斯抽采；煤與瓦斯突出

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的礦井動力現(xiàn)象。高瓦斯突出煤層巷道掘進(jìn)往往受高地應(yīng)力、高瓦斯壓力的影響，掘進(jìn)工作面突出危險性大，直接導(dǎo)致掘進(jìn)速度慢，影響了礦井采掘平衡關(guān)系。煤與瓦斯突出主要發(fā)生在巷道應(yīng)力集中區(qū)域[1-2]。鉆孔瓦斯抽采技術(shù)[3-4]是目前防治煤與瓦斯突出的主要方法。確定高效、合理的抽采技術(shù)方案和參數(shù)，對于實(shí)現(xiàn)礦井安全、快速掘進(jìn)，提高礦井生產(chǎn)能效具有十分重要的意義。

1 問題的提出

華晉焦煤沙曲礦為高瓦斯突出礦井，掘進(jìn)工作面、特別是綜掘工作面，突出預(yù)測指標(biāo)超過臨界值，工作面瓦斯?jié)舛瘸揞l繁，導(dǎo)致工作面停工（平均2.8次/月）、停機(jī) (10次/班)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)進(jìn)度（綜掘工作面月均進(jìn)度僅為90 m），造成礦井“抽、掘、采”接替緊張。為了達(dá)到消除突出危險、確保掘進(jìn)工作面安全快速掘進(jìn)，通過在巷道兩幫布置鉆場，在鉆場內(nèi)施工鉆孔實(shí)施瓦斯抽采。但是，效果并不顯著，相關(guān)參數(shù)有待優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)綜掘工作面的安全、高效掘進(jìn)，使“抽、掘、采”合理有序接替，促進(jìn)礦井高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)。

2 瓦斯抽采參數(shù)的確定

為了合理確定巷道兩幫瓦斯抽采鉆孔位置及其相關(guān)參數(shù)，有效提高瓦斯抽采效率，防止煤與瓦斯突出，本文采用有限元分析軟件ANSYS10.0[5]對巷道周圍煤體的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 計(jì)算模型的建立

本文以沙曲礦4#煤層14203軌道順槽為模擬掘進(jìn)工作面。4#煤層平均厚度2.45 m，傾角2°～4°，計(jì)算模型可以近似為水平模型。根據(jù)沙曲礦煤巖層柱狀特征，上覆巖層及底板共考慮50 m厚度，此范圍外的巖層采用邊界條件模擬，由此形成了200 m×50 m×50 m的計(jì)算模型。將模型按照現(xiàn)場條件進(jìn)行開挖，巷道形狀為矩形（寬×高=4.2 m×2.4 m），并按照現(xiàn)場情況進(jìn)行巷道支護(hù)，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型。

2.2 結(jié)構(gòu)單元的劃分

在上覆巖層中，靠近煤層頂板的巖體應(yīng)力變化和位移變化相對劇烈，因此單元的劃分比較密集；沿模型走向方向，煤巖層視為均質(zhì)各向同性體，均勻劃分單元網(wǎng)格。本次數(shù)值模擬計(jì)算，模型一共劃分出140×90共12 600個四邊形單元和12 821個節(jié)點(diǎn)（見第16頁圖 1）。

2.3 邊界條件的確定

在選定計(jì)算模型范圍的基礎(chǔ)上，確定邊界條件。

2.3.1 上部邊界條件

模型上方載荷與上覆巖層的重力有關(guān)，根據(jù)海姆假設(shè)的要求，原巖自重應(yīng)力作用在模型上部邊界。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分（單位：m）

2.3.2 下部邊界條件

本模型下部邊界為底板，為全約束邊界，即下部邊界節(jié)點(diǎn)水平位移、垂直位移均為0（u=0，v=0）。

2.3.3 左側(cè)和右側(cè)邊界條件

模型兩側(cè)為單約束邊界，施加水平方向的約束，即邊界水平位移為0（u=0），只允許邊界節(jié)點(diǎn)沿垂直方向移動。

2.4 模擬結(jié)果

經(jīng)過12 000步計(jì)算，模型達(dá)到平衡狀態(tài)，模擬運(yùn)算后獲得的巷道兩幫及工作面前方的應(yīng)力重新分布狀況以及巷道兩幫圍巖破壞情況分別如圖2～圖4所示。

圖2 巷道兩幫應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖3 巷道圍巖破壞示意（單位：mm）

圖4 掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力分布（單位：Pa）

根據(jù)模擬結(jié)果得到的應(yīng)力分布狀況及圍巖破壞特征可以得到以下結(jié)論：

①巷道兩幫受采動影響，巷道兩幫卸壓煤體范圍為0 m～8 m，最大破壞范圍3.8 m，主要為剪切破壞；

②頂板最大破壞深度2.8 m，底板破壞深度1.8 m，多為壓破壞；

③掘進(jìn)工作面前方煤體應(yīng)力實(shí)現(xiàn)重新分布，工作面前方0 m～8 m的范圍內(nèi)為卸壓區(qū)，8 m～12 m的范圍內(nèi)為應(yīng)力集中區(qū)，12 m以外為原始應(yīng)力區(qū)。

3 實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，最終確定沙曲礦邊掘邊抽巷道鉆場鉆孔布置見第17頁圖5，鉆孔長度為120 m，兩鉆場之間相距100 m，1、2鉆孔與巷道中心線平行，3、4鉆孔與巷道中心線的夾角為2°，4鉆孔落底在巷道輪廓線外9 m處。

圖5 巷道鉆場鉆孔布置（單位：m）

4 結(jié)論

①煤層掘進(jìn)巷道兩側(cè)煤體受采動影響發(fā)生卸壓，卸壓煤體膨脹變形，形成順層張裂隙為主的裂隙分布。鉆孔方位與巷道中線成0°～2°夾角，使鉆孔始終處于掘進(jìn)工作面不斷推進(jìn)而形成的巷道兩幫卸壓煤體內(nèi)，可充分利用卸壓增流效應(yīng)，提高瓦斯抽采效果；掘進(jìn)工作面前方0 m～8 m卸壓區(qū)為鉆孔抽放瓦斯“重心”，隨著巷道的延伸，卸壓區(qū)隨之前移，鉆孔抽采“重心”逐漸移向鉆孔深部。

②沙曲礦煤巷邊掘邊抽鉆場采取對稱布置，布置在巷道兩幫卸壓帶內(nèi)。鉆場規(guī)格4 m×3.5 m×2.4 m。4個鉆孔呈菱形布置。鉆孔距煤層底板高度為1.2 m～2.4 m，間距0.5 m。鉆孔方位與巷道中線成0°～2°夾角。鉆孔長度120 m，封孔長度不小于8 m。

③沙曲礦綜掘工作面采用長鉆孔遠(yuǎn)程瓦斯抽采，提高了瓦斯鉆孔流量，瓦斯抽采量平均提高35%；降低了掘進(jìn)工作面周圍煤體的瓦斯含量和瓦斯壓力，消除了掘進(jìn)工作面突出危險，停工、停機(jī)次數(shù)分別平均降低了60%和45%；月均進(jìn)度提高到150 m，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采和巷道掘進(jìn)的安全高效并行。

[1]范金志，郭德勇，張建國.層次分析法確定煤與瓦斯突出影響因素的權(quán)重 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31(3)：4-9.

[2]楊清嶺，楊鵬.煤層瓦斯流動理論研究 [J].煤炭技術(shù)，2007，26(2)：67-69.

[3]俞啟香，程遠(yuǎn)平，蔣承林，等.高瓦斯特厚煤層煤與瓦斯共采原理及實(shí)踐 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(2)：127-131.

[4]楊天鴻，徐濤，劉建新，等.應(yīng)力-損傷-滲流耦合模型及在深部煤層瓦斯卸壓實(shí)踐中的應(yīng)用煤層 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(2)：67-69.

[5]Saeed Moaveni.有限元分析：ANSYS理論與應(yīng)用 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Optimization of Extraction Parameters for Preventing Outburst in Comprehensive Mechanized Driving Face of Shaqu Mine

Yuan Shengjun Wei Lei
(Shanxi Datong University,Shanxi Datong 030024)

This paper simulates the stress distribution condition of drift sides by means of ANSYS10.0 about roadway heading face two sides and deep mining face stress.Thus it obtained the stress distribution of two sides of tunnel.This paper optimizes the arrangement way and reasonable parameters of gas extraction drill hole,which is significant to coal and gas outburst prevention effectively and excavating rapidly.

gas migration；gas extraction；coal and gas outburst

TD713.37

A

1000-4866（2012）03-0015-03

袁勝軍，男，1979年生，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工學(xué)碩士，現(xiàn)在山西大同大學(xué)任教。

魏雷，男，1980年生，2009年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，工學(xué)碩士，現(xiàn)在山西大同大學(xué)任教。

2010-07-02

2010-07-23