平舒煤礦15110工作面頂抽巷空間定位數值模擬研究

耿文亮， 董 凱

（山西陽煤集團平舒公司，山西 晉中 045400）

1 頂抽巷布置原理

在工作面附近巖層內布置瓦斯抽采巷道已逐漸成為高瓦斯工作面回采時降低瓦斯濃度的主要方式［1］，根據空間位置不同可分為煤層頂板抽采巷（頂抽巷）與煤層底板抽采巷兩種布置形式，根據與工作面斜交方式不同亦可分為走向抽采巷與傾向抽采巷。其中，頂抽巷因位于瓦斯涌向工作面的必經道路上，其抽采效率及經濟效益更為突出。

頂抽巷的首次應用可追溯至1992年陽泉五礦的15＃煤層［2］，該巷取得的瓦斯抽采率達到了87%。隨后，陽泉三礦也采取頂抽巷的方式解決了工作面上隅角瓦斯頻繁超標問題［3］。目前，通過布置頂抽巷控制工作面瓦斯濃度的方法已在同煤集團、淮南礦業集團、彬長礦業集團等多個高瓦斯礦井得到良好的應用，其成功案例為本礦井15110工作面頂板瓦斯抽采巷提供了可行性支持。

頂抽巷在空間位置選擇方面主要是根據被服務抽采工作面的采場礦壓分布情況，其根本因素受制于工作面埋深、開采高度、工作面寬度及工作面走向／傾向布置方式等［4］。一般而言，頂抽巷應位于煤層頂板的開采卸壓區域，若與工作面距離過近，則巷道在超前支承壓力的影響下難以維護；若與工作面距離過遠，則抽采鉆孔鉆進長度與抽采成本大幅增加，抽采效率同樣受到極大考驗。因此，應根據被服務抽采工作面實際工程地質情況對頂抽巷空間位置進行專項設計。

2 15110工作面工程地質情況

本研究根據陽煤集團平舒煤礦15110工作面實際工程地質情況，對頂板瓦斯抽采巷進行初步空間定位。15110工作面沿15＃煤層走向布置，該煤層埋深約530m，平均厚度4.38m，平均傾角6°，工作面設計推進長度933m，傾斜長度200m。此外，現場勘探結果表明，15110工作面水文地質情況較為簡單，主要充水源自太原組灰巖裂隙巖溶含水層，預計最大涌水量15m3／h，正常涌水量3m3／h。

3 開采地質體建模分析

3.1 數值模擬軟件選擇與模型建立

本研究采用一種適用于連續地質體的數值模擬軟件FLAC3D。該軟件將宏觀采礦地質體通過網格形式劃分為塊體；根據研究對象的實際工程地質特征對具有不同巖性的巖層進行參數（密度、體積模量、剪切模量、內聚力、內摩擦角與抗拉強度）賦值；并在Mohr－Coulomb屈服準則下對模型進行動態開挖計算。

根據鉆孔柱狀，15＃煤層埋深相對較大，難以在數值模型中對煤層以上各巖層進行細致描述，因此，建模時以15＃煤層基本底為模型底部邊界，以基本頂上方砂質泥巖層及石灰巖層為頂部邊界，模型水平尺寸為400m×400m（長×寬）。由于模型頂部未達到地表，采用外加均布載荷的方式代替以上各巖層。

3.2 結果討論與分析

根據15110工作面實際尺寸，在數值模型中對15＃煤層進行動態仿真回采，考察15110工作面上覆巖層內因工作面采空引發的應力重新分布情況。圖1為采場應力分布云圖，可以看出，工作面中部出現了最大程度的應力集中現象，應力升高系數達2.6。在同一水平面上，應力隨遠離工作面中部而逐漸降低，在工作面邊緣處應力升高系數已明顯衰減至1.4。隨著在傾斜方向上進一步遠離工作面，應力再次升高，表明此種情況下采用外錯式巷道布置方式不合理，初步確定巷道的空間布置方式為內錯式，且水平方向上位于15110工作面頂板上方及工作面邊緣內側。

圖1 15110工作面采場應力分布云圖

對于垂直方向，圖1表明應力隨層位升高而顯著降低，煤層直接頂處的應力升高系數約為1.7，基本頂處的應力升高系數約為1.4，繼續升高20m后可衰減至原巖應力值。一般而言，巷道應盡量布置于應力降低區，以保證其能夠完整服務于下位煤層工作面的瓦斯抽采。此外，15＃煤層基本頂厚度較大，巖性變化較為均勻，易于巖石巷道的掘進與支護。同時，考慮到鉆孔鉆進與抽采成本，頂抽巷與工作面距離不宜過大。因此，確定該內錯式瓦斯頂抽巷在垂直方向上位于15＃煤層基本頂內。

基本頂主要巖性為砂質泥巖，其上方巖層為細砂巖，質地相對砂質泥巖較硬，便于支護系統中的錨索與錨桿發揮有效的懸吊作用，提高頂抽巷圍巖的整體穩定性，可在砂質泥巖層內沿頂掘進該巷道。考慮到上方細砂巖硬度較大，掘進機施工成本提高、施工效率降低，因此可留有一定的富余空間。綜合上述考慮，本研究擬將15110頂抽巷布置于工作面側向邊界鄰近內部，與煤層頂板相距7m～9m。

4 結語

本研究根據陽煤集團平舒煤礦15110工作面工程地質情況，為服務于該工作面的頂板瓦斯抽采巷進行空間位置確定，通過數值模擬的方式對工作面采場應力分布特征進行分析，并通過計算不同水平與垂直位置的應力升高系數篩選較優方案，同時，考慮巖巷掘進與經濟成本等因素，最終確定15110工作面頂板瓦斯抽采巷采用內錯式布置方式，與工作面側向邊界相鄰，并距工作面頂板7m～9m。