高抽巷豎直層位布置對抽采效果影響研究

李 德

（西山煤電屯蘭礦通風(fēng)區(qū)，山西 古交 030206）

近年來，隨著我礦采煤工作面長度的加長、推進(jìn)速度的加快、開采強(qiáng)度的加大，回采過程中瓦斯涌出量明顯增大，僅僅依靠原有的鉆孔抽放瓦斯的方式已不能完全解決我礦大部分采煤工作面瓦斯超限問題。經(jīng)過理論分析與實(shí)際應(yīng)用效果對比，高抽巷對于我礦綜采工作面瓦斯治理效果較好，并且在工作面封閉后，依然能夠持續(xù)對采空區(qū)高濃度瓦斯進(jìn)行抽采。本文主要結(jié)合我礦高抽巷在12505 工作面的實(shí)際應(yīng)用，以數(shù)據(jù)圖表的方式分析了高抽巷層間距變化對瓦斯抽放效果的影響[1-2]。

1 工作面概況

1.1 工作面參數(shù)

12505 工作面Ⅰ采長為240 m。設(shè)計(jì)工作面可采走向長度550 m。煤層可采厚度4.13～4.87 m，平均4.5 m，煤層有益厚度3.45 m；設(shè)計(jì)采用綜合機(jī)械化一次采全高工藝，采高4.13～4.87 m，平均4.5 m。開采方法為傾斜長壁后退式一次采全高頂板全部垮落綜合機(jī)械化采煤方法[2]。

1.2 瓦斯賦存

12505 工作面原始瓦斯含量9.985 9 m3/t，經(jīng)預(yù)抽后殘余6.398 1 m3/t。根據(jù)目前工作面瓦斯涌出來源分析，12505 采煤工作面采煤期間瓦斯涌出量預(yù)計(jì)28 m3/min，其中本煤層瓦斯涌出量10 m3/min，占總涌出量的35.7%；上鄰近層瓦斯涌出量8 m3/min，占總涌出量的28.6%；下鄰近層瓦斯涌出量6 m3/min，占總涌出量的21.4%，采空區(qū)瓦斯涌出量4 m3/min，占總涌出量的14.3%。

1.3 煤層地質(zhì)情況

該工作面2、3 號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，合并開采，2 號(hào)煤厚2.60～3.20 m，平均約2.96 m；2 號(hào)煤與3 號(hào)煤之間夾一層砂質(zhì)泥巖，厚0.50～0.87 m，平均約0.69 m；3 號(hào)煤厚0.40～1.00 m，平均約0.60 m；煤巖總厚均約4.25 m，煤層有益厚度均約3.56 m，工作面煤厚分布規(guī)律為自Ⅰ切眼向外由薄逐漸變厚：最薄處為Ⅰ切眼機(jī)頭附近約3.15 m，最厚處為皮帶順槽12 號(hào)點(diǎn)附近約4.05 m，另外，皮帶順槽煤厚總體大于軌道順槽，煤質(zhì)為焦煤，工作面煤層整體為樞紐向南西傾斜的緩向斜，煤層最大傾角10°，最小傾角3°，平均6°。

頂板：直接頂為2.10 m 的細(xì)粒砂巖，老頂為5.20 m 的粉砂巖。

底板：直接底為1.12 m 的砂質(zhì)泥巖，老底為2.30～4.60 m 的細(xì)粒砂巖。

2 高抽巷布置

2.1 高抽巷布置原理

工作面初采初放結(jié)束后，老頂垮落，采空區(qū)隨著工作面向前回采逐步垮落，采空區(qū)在豎直方向由下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。工作面受采動(dòng)影響瓦斯通過裂隙大量涌入采空區(qū)，由于瓦斯的密度相對空氣密度小，因此采空區(qū)瓦斯通過冒落帶向裂隙帶裂隙運(yùn)移，并在裂隙帶積存大量高濃瓦斯。對于U 型通風(fēng)而言，一部分采空區(qū)的瓦斯受通風(fēng)負(fù)壓影響從工作面上隅角涌出。高抽巷利用采空區(qū)裂隙帶透氣及瓦斯積聚的特性，設(shè)計(jì)將高抽巷末端隨采空區(qū)垮落始終位于采空區(qū)裂隙帶內(nèi)，通過抽采負(fù)壓改變采空區(qū)瓦斯流場，使得采空區(qū)瓦斯由下向上通過采空區(qū)裂隙進(jìn)入高抽巷，并在極大程度上牽制上隅角瓦斯，防止上隅角瓦斯超限。

2.2 高抽巷布置

2.2.1 高抽巷垂直層位布置

根據(jù)12505 工作面頂板巖性及以往高位裂隙帶鉆孔抽采效果，參考裂隙帶發(fā)育最大高度與采高的關(guān)系公式計(jì)算的：

式中：M為采高，m，取4.5。

根據(jù)高抽巷的抽采機(jī)理，高抽巷宜布置在頂板斷裂帶高度內(nèi)，回采工作面頂板跨落帶發(fā)育高度一般為采高的3～5 倍，2 號(hào)煤層平均厚度約為4.5 m，跨落帶發(fā)育高度約為13.5～22.5 m。裂隙帶發(fā)育高度為45.7 m 左右。

因此確定高抽巷位置應(yīng)布置在據(jù)煤層頂板45.7 m 左右，大約為10.16 倍采高處，12505 高抽巷依據(jù)實(shí)際煤層地質(zhì)走向布置，高抽巷與2 號(hào)煤層位關(guān)系如圖1 所示。

圖1 高抽巷層位關(guān)系圖

2.2.2 高抽巷水平位置布置

高抽巷水平位置的確定需根據(jù)工作面長度及通風(fēng)情況綜合確定，高抽巷宜布置在工作面距回風(fēng)巷1/3 工作面長度的頂板泄壓帶內(nèi)，根據(jù)實(shí)際情況分析確定，高抽巷布置在距12505 工作面回風(fēng)巷水平投影距離約45 m 處，經(jīng)后期驗(yàn)證對工作面上隅角瓦斯治理效果較好。

圖2 層間距對抽采純量的影響

3 高抽巷治理效果分析

3.1 高抽巷層位對抽采效果影響

如2 圖所示，由于工作面回采初期，高抽巷層位距離煤層較近，層間距在25 m 以內(nèi)，瓦斯抽采純量較低，平均為20 m3/min；當(dāng)工作面回采至100 m 以后，層間距逐步增大到43～47 m 左右時(shí)期抽采效果較好且持續(xù)穩(wěn)定，抽采純量可達(dá)到37 m3/min；當(dāng)層間距繼續(xù)擴(kuò)大到50 m 則抽采效果明顯降低，抽采純量僅為10 m3/min。

3.2 層位關(guān)系與抽采效果分析

根據(jù)圖4 所示的抽采效果分析：

1）工作面回采初期，高抽巷層位距離煤層較近，層間距在25 m 以內(nèi)，高抽巷端頭直接與支架后部采空區(qū)冒落帶相連通，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)較大，高抽巷瓦斯抽采純量小，平均在20 m3/min。

2）當(dāng)工作面回采至100～250 m 和500～550 m 范圍內(nèi)時(shí)，高抽巷層位距離煤層間距在43～47 m 左右，高抽巷在冒落帶以上，層位正處在裂隙發(fā)育帶之中，此階段內(nèi)，高抽巷瓦斯抽采效果較好且持續(xù)穩(wěn)定，高抽巷抽采純量保持在30 m3/min 以上，最高能達(dá)到37 m3/min。

3）當(dāng)工作面回采至250～500 m 范圍內(nèi)時(shí)，高抽巷層位距離煤層間距平均在50 m 以上，超過裂隙帶高度，此時(shí)高抽巷層位處于采空區(qū)彎曲下沉帶，高抽巷沒能與裂隙網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，瓦斯流動(dòng)通道不暢通，抽采效果明顯較差，平均抽采純量僅在10 m3/min。

4 結(jié)語

根據(jù)礦山壓力分布規(guī)律，隨著工作面的回采，采空區(qū)周圍的巖層由于受到采動(dòng)應(yīng)力場的影響，在豎直方向上由下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在水平方向上由前到后形成煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，原來的離層區(qū)被逐步壓實(shí)，采空區(qū)中部上覆巖層的離層裂隙與豎向裂隙趨于壓實(shí)閉合，而在工作面開切眼、終采線側(cè)、工作面進(jìn)回風(fēng)巷側(cè)，由于煤柱的支撐作用離層裂隙能夠長期存在，從而在采空區(qū)四周存在一個(gè)連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，即“O”型圈。

頂板走向高抽巷抽放原理就是利用工作面正常回采后，隨頂板垮落形成能夠積存大量高濃瓦斯的裂隙帶，并通過“O”型圈瓦斯運(yùn)移作用進(jìn)行瓦斯抽放。高抽巷末端隨采空區(qū)垮落產(chǎn)生與采空區(qū)裂隙帶導(dǎo)通的裂隙，通過抽采負(fù)壓使得采空區(qū)瓦斯進(jìn)入高抽巷，上隅角及采空區(qū)瓦斯通過“O”型圈瓦斯運(yùn)移通道及時(shí)向裂隙帶補(bǔ)充，達(dá)到治理采空區(qū)及上隅角瓦斯的目的。

高抽巷抽放效果穩(wěn)定、可靠，但高抽巷距采煤面的垂高即高抽巷的合適層位的選擇是比較難以把握的，必須在理論分析與實(shí)踐驗(yàn)證的基礎(chǔ)上選擇層位，通過對12505 工作面實(shí)驗(yàn)分析確定，對于屯蘭礦2號(hào)煤12505 工作面最佳層位大約為10 倍工作面采高，即距煤層頂板45 m 處。今后針對屯蘭礦開采2號(hào)煤，其高抽巷布置可參考這一數(shù)據(jù)。