紫金煤業(yè)高抽巷合理層位的確定

張 偉

（山西煤炭運銷集團晉中有限公司，山西 晉中 030600）

煤礦開采過程中，瓦斯事故是影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素，實踐證明，頂板高抽巷是解決瓦斯問題的有效方法，而高抽巷合理位置的選擇，對瓦斯抽采效果以及巷道圍巖穩(wěn)定等都有著重要影響[1-3]。本文以山西煤炭運銷集團紫金煤業(yè)6102工作面實際情況為背景，結(jié)合本礦的開采情況和煤層賦存條件，利用理論計算和FLAC3D數(shù)值模擬軟件，確定高抽巷的合理層位，保障工作面的正常生產(chǎn)。

1 工程概況

紫金煤業(yè)位于山西省晉中市附近，主采煤層包括6#和15#煤層。6102工作面位于+450m水平一采區(qū)，主采6#煤層，煤層厚度為1.87～2.71m，平均2.25m，為中厚煤層，含0～2層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，埋深約686m，傾角約6°，屬于近水平煤層，工作面走向長度1306m，傾向長度180m。煤層直接頂為8.75m厚的泥巖，基本頂為13.01m厚的粉砂巖，直接底為8.64m的泥巖，其綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀圖

2 高抽巷位置確定理論分析

2.1 高抽巷抽采瓦斯原理

煤層開采后，受采動影響，頂板上覆巖層可分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。垮落帶巖層在工作面推進后不規(guī)則垮落，其上部即為裂隙帶巖層，裂隙帶又可分為兩個部分，下部為破斷裂隙，是由于巖層受拉剪破壞形成，上部為離層裂隙，是由于頂板巖層下沉不同步造成。煤層開采后，巖層垮落充滿采空區(qū)，頂板巖層裂隙被壓實，而裂隙帶上部的離層部分卻能一定程度上被保留，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯通過裂隙涌向離層，成為瓦斯積聚的主要場所[4]。

頂板高抽巷正是利用瓦斯運動的這一特性，將巷道布置在裂隙帶范圍內(nèi)，煤層開采后，周圍巖層受到損傷破壞，裂隙發(fā)育，附近煤層與巖層內(nèi)的瓦斯通過裂隙向采空區(qū)積聚，再由高抽巷抽出。因此，確定高抽巷的合理位置對瓦斯抽采效果十分重要[5]。

2.2 高抽巷層位的確定

通過前面的分析可知，高抽巷應(yīng)布置在頂板裂隙帶中下部，一方面，距離瓦斯積聚區(qū)域較近，可以保障瓦斯抽采效果，另一方面，位于裂隙帶中下部，可以保障巷道圍巖相對穩(wěn)定，不會隨煤層開采而冒落。

因此，高抽巷層位的計算公式為：

式中：

Hz-高抽巷的層位高度，m；

Hm-頂板冒落高度，m；

ΔHm-安全高度，一般為1～1.5倍采高，m；

Hl-頂板裂隙帶高度，m。

通過式（1）、（2）可以看出，高抽巷的層位與頂板冒落帶和裂隙帶的范圍有著直接關(guān)系，這樣，才能得到高抽巷層位的準(zhǔn)確位置。

2.3 裂隙帶范圍的確定

頂板冒落帶高度的計算公式為：

式中：

M-煤層采高，取2.25m；

k-頂板巖層碎漲系數(shù)，取1.4；

α-煤層傾角，取6°。

將數(shù)據(jù)代入式（3），可得：

頂板裂隙帶高度的計算公式為：

將煤層采高2.25m代入式（4），可得頂板裂隙帶高度為：

由式（2）、（3）、（4）可知，高抽巷的合理層位應(yīng)為：

計算結(jié)果所示范圍較大，不能準(zhǔn)確得到高抽巷層位，還需借助數(shù)值模擬軟件，確定高抽巷合理位置。

2.4 高抽巷水平位置的確定

頂板高抽巷水平位置可由下列經(jīng)驗公式計算得到[5]：

式中：

S-高抽巷與回風(fēng)巷之間水平距離，m；

Hx-高抽巷與煤層垂直距離，取裂隙帶高度25m；

B-高抽巷與“O”型圈距離，取20m；

θ-煤層與裂隙到開采邊界連線的夾角，取60°；

其余符號與前面相同。將數(shù)據(jù)代入可得

由計算結(jié)果可知，高抽巷位置應(yīng)在距離回風(fēng)順槽40m以內(nèi)。

3 高抽巷位置確定數(shù)值模擬

通過前面的理論計算，確定的高抽巷層位范圍較廣，下面利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，確定高抽巷的準(zhǔn)確位置。

3.1 建立模型

根據(jù)圖1所示綜合柱狀圖，結(jié)合實際情況作出適當(dāng)簡化，建立數(shù)值模型。煤層頂板至地表簡化為7個巖層，累計厚約690m；煤層底板可簡化為2個巖層，累計厚度約200m，工作面兩側(cè)留200m邊界煤柱。因此，整個模型水平寬580m，豎向高900m。模型示意圖如圖2所示。

圖2 工作面數(shù)值模型

3.2 模擬結(jié)果分析

建立數(shù)值模型后，對工作面進行開挖，記錄煤層開挖后的塑性區(qū)、垂直位移和應(yīng)力分布，如圖3～5所示。

圖3 工作面塑性區(qū)圖

圖4 工作面垂直位移圖

圖5 工作面最大水平應(yīng)力圖

如圖3所示，工作面回采后頂?shù)装鍘r層內(nèi)形成塑性區(qū)，其中，拉伸破壞區(qū)域表示頂板垮落帶巖層區(qū)域，由圖3可知，頂板垮落高度約為8～10m；由于煤層存在一定傾角，所以工作面兩側(cè)的垮落角并非完全一致，左側(cè)垮落角約α≈60～65°，右側(cè)垮落角約β≈40～45°。由頂板塑性圖可知，高抽巷應(yīng)位于垮落帶上方垮落角之間，即有

如圖4、5所示，采空區(qū)兩側(cè)煤壁上方存在一定范圍明顯的卸壓區(qū)，說明這一區(qū)域內(nèi)的采動裂隙較為發(fā)育，頂板高抽巷應(yīng)盡量布置在這一卸壓區(qū)內(nèi)，即圖5所示的橙色區(qū)域內(nèi)，圖中A點位置有：

B點位置有：

其中：

LA-A點與回風(fēng)巷之間距離；

LB-B點與回風(fēng)巷之間距離；

HA-A點與煤層的垂直距離；

HB-B點與煤層的垂直距離。

綜上所述，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，頂板高抽巷應(yīng)布置在距離回風(fēng)巷30～40m，距離煤層頂板15～24m處。

4 結(jié)論

根據(jù)紫金煤業(yè)6102工作面實際地質(zhì)條件，為解決礦井瓦斯抽采問題，對高抽巷合理位置進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)理論計算結(jié)果，高抽巷應(yīng)布置在距離煤層頂板7.26～40m處，距離回風(fēng)巷水平距離約40m內(nèi)；

（2）通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件進一步確定高抽巷位置，認(rèn)為高抽巷應(yīng)布置在距離煤層頂板15～24m處，距離回風(fēng)巷水平距離30～40m處。