興峪煤礦15501工作面高抽巷合理位置應用研究

馬珍選

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽煤集團的興峪煤礦屬于高瓦斯礦井，負責開采的15#煤層為簡單結構煤層。煤層傾角0°～15°，平均5°，煤層厚6.55～7.0m，平均厚6.8m，一般含矸2層,煤層中下部夾石厚度為0.1m,下部夾石厚度0.05m，煤巖類型為半亮型～光亮型。其15#煤層的15501綜放工作面目前處于準備階段，工作面地表位于畢溝村以西南一帶，地形溝谷縱橫，蓋山厚度227～424m。地面標高 1065～1255m，工作面標高 798—-826m。工作面位于井下五采區南部，東部為擴區準備大巷；南部、北部為實體煤田，西部與礦界相距20m。工作面頂底板巖性見表1。

表1 15#煤頂底板巖性特征表

由于該礦井屬于高瓦斯礦井，需對工作面的瓦斯進行治理，現設計采用在工作面上方設置高抽巷來專門對工作面內的瓦斯進行抽采，根據15501綜放工作面長度設計15501高抽巷總設計長度為1266.54m，服務年限為3年，專門服務于15501綜放工作面回采期間抽放瓦斯。15501回風順槽掘沿15#煤底板掘進，巷道頂板、兩幫全部為煤層。巷道兩側為實體煤，沒有受到采動影響，屬Ⅳ類巷道。15501抽放巷與工作面的空間位置時決定抽放效果非常關鍵的因素，為了達到最佳的抽放效果現在對其合理的布置位置進行研究。

2 垂直三帶高度的范圍確定

15501綜放工作面采用全部垮落法管理頂板，隨著回采工作面的推進，液壓支架后方的采空區內巖層會破裂垮落，最終采空區由碎裂巖塊充填密實，對上部圍巖起到一定的支撐作用，從而使采空區的上覆巖層重新穩定，巖層的位移和破壞具體特征如圖1所示。在巖層的破斷垮落過程中在豎直方向上巖層的位移和破壞具有明顯的分帶性，經過相關的實驗研究將采空區至地表的巖層豎直方向上可以分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，不同分區的巖層碎裂程度、裂隙發育情況有很大差別[1]。

在煤層上部巖層內布置用來抽放瓦斯的高抽巷時，高抽巷與煤層頂板的垂直距離對抽采采空區瓦斯和工作面上隅角瓦斯的效果影響很大，因此高抽巷選取合理的層位非常重要。采空區巖層中的裂隙帶，巖層斷裂為巖塊，砌體梁的結構形式相互作用，使巖層穩定，巖塊之間裂隙非常大，空氣連通性運移非常有益，好，與煤層的采空區很好的貫通，氣流可以非常輕松的穿越，對于工作面及采空區瓦斯的運移非常有益，所以高抽巷布置在裂隙帶內會得到很好的瓦斯抽排效果。因此計算裂隙帶的高度范圍合理確定高抽巷位置的基礎。

圖1 采空區上覆巖層位移和破壞示意圖

目前計算采空區上覆巖層三帶高度時最常采用的是經驗公式，國內外的很多研究人員進行實地測量來嚴重公式的可靠性，發現實際測量的高度一般都要比經驗公式的計算結果小一些，因此在參考經驗公式計算結果時，應當將理論計算結果看的小一些，對于本文所要研究的高抽巷的布置高度范圍具有一定的參考價值，降低了三帶高度與實際的誤差。根據勘察單位的報告得知頂板圍巖為中硬巖層，具體的計算公式如下：

冒落帶高度：

裂隙帶高度：

式中：m為煤層厚度。

由經驗公式明顯能夠看出，巖層的垮落、冒落高度與煤層厚度及巖層巖性密切相關。吳仁倫[2]等學者通過數值模擬、實地測量對經驗公式的準確性進行驗證，發現當煤層厚度小于3m時，實際高度與計算的高度差別不大，但是當煤層厚度為3m以上時，實際值僅為經驗公式計算值的0.4倍左右，鑒于這樣的事實他們提出了更為細化的計算覆巖各區帶的高度范圍的方法，本次計算采用其理論，修正后的計算公式為：

式中：Hs為修正后的冒落帶、裂隙帶理論高度，單位：m;Hd為冒落帶、裂隙帶高度經驗公式計算結果，單位：m；λ為修正系數，取 1.2；

興峪煤業的15501綜放工作面開采的15#煤層平均厚度為6.8m，根據工作面的實際情況，將數據帶入經驗公式及修正公式，計算結果如下：

參考以上計算結果可知，15501工作面上覆巖層的冒落帶距離采空區底板的距離為20m左右，裂隙帶范圍為20～53m之間。

3 數值模擬

為了更直觀的了解不同層位的高抽巷對瓦斯抽排效果的影響，運用FLUENT數值模擬軟件，根據興峪煤業15501綜放面的實際尺寸并結合著理論計算的結果，建立如圖2所示的數值模擬模型，來模擬高抽巷與煤層頂板不同垂直距離條件下的瓦斯抽排[3]。

圖2 采空區幾何模型正視圖

根據以往相關研究表明，高抽巷在煤層上部水平方向上與工作面距離的不同，工作面上隅角瓦斯濃度相差不是很大，這就表明高抽巷的水平位置對于瓦斯的抽排效果的影響并不大，根據以往的經驗將其水平方向上布置于工作面中部，確定了高抽巷的最佳水平位置后，通過數值模擬來模擬高抽巷與煤層頂板垂直距離分別為5m、10m、15m、20m不同條件下瓦斯抽排的效果，對于不同條件下的模擬結果，截取各垂直距離時的高抽巷瓦斯濃度分布立體圖，來觀察瓦斯的分布情況，統計垂直距離為高抽巷層位時的采空區瓦斯濃度，將得到的數據匯總得到的詳細數據如表2所示。對表2中的不同垂高下的高抽巷抽采瓦斯濃度進行整理，得到如圖3所示的折線圖。

表2 不同垂直距離時各觀測點的瓦斯濃度表

圖3 不同垂距下高抽巷抽采瓦斯濃度變化趨勢曲線圖

根據數值模擬的結果可以看出，隨著高抽巷底板與采空區底板垂直距離的增大，高抽巷抽采瓦斯濃度、上隅角瓦斯濃度、抽采瓦斯純量數值在整體上均呈現為先增大后減小的趨勢。在高抽巷與煤層頂板垂直距離為10m的區域范圍內，回采工作面與高抽巷的距離較近，使回采工作內的瓦斯會有一部分能夠運移至高抽巷內，從而高抽巷能夠抽采采空區裂隙帶內的瓦斯，并且由于高抽巷位于裂隙帶的位置，能夠有效的抽采裂隙帶內的瓦斯，因此高抽巷內的瓦斯濃度較高，抽采純量較其他層位也相對較大，達到最好的抽排效果。在距煤層頂板10m以內時，隨著距離的減小，濃度較小是由于與工作面距離太近，雖然能抽排一部分工作面內的瓦斯，但是采空區內巷道處于冒落帶內，抽到的采空區的瓦斯很少，因此總量也就較少。而當高抽巷與煤層頂板間距由10m繼續增大時，高抽巷雖然全部處在裂隙帶內，能夠抽采采空區上浮瓦斯，但是由于與工作面的垂直距離較大，瓦斯向上移動的阻力增加，很難抽到15501綜放工作面內的瓦斯，因此抽到瓦斯的濃度、純量均逐漸減小。

4 結 論

綜上所述，當高抽巷與煤層頂板板垂直高度為10m左右時，高抽巷抽采瓦斯濃度最大、純量最高，同時在高抽巷的作用下工作面上隅角瓦斯濃度為0.62%,符合《煤礦安全規程》中規定的上隅角瓦斯濃度低于1%的要求。理論計算的結果為高抽巷的最佳位置應當在距煤層頂板垂直距離為13.2m到46.2m之間，數值模擬的結果表明垂距應該在10m左右，因此結合著15#煤層頂板的具體情況，15501工作面低位抽放巷為沿15#煤老頂上部K2石灰巖為頂板掘進的全巖巷，巷道頂板為巖層，兩幫為泥巖，屬Ⅱ類巷道，與煤層頂板的垂直距離平均為8.92m。后期的瓦斯抽采驗證了高抽巷位置的合理性。