煤礦高抽巷層位布置優(yōu)化研究

王庶文

摘要：根據采空區(qū)上覆巖層受采動動力場及瓦斯流動分布規(guī)律，對特定地質采礦條件下高抽巷的機理、方法和效果進行分析研究，并對高位抽巷層位進行模擬、實踐總結，使采掘工程進入深部區(qū)域提供治理上隅角瓦斯提供依據。

Abstract： According to the mining dynamic field and gas flow distribution law of overlying strata in goaf， the mechanism， method and effect of high drainage roadway under specific geological and mining conditions are analyzed and studied， and the simulation and practice summary of high level drainage roadway layer are carried out， so as to provide the basis for controlling upper corner gas in deep area.

關鍵詞：高抽巷;優(yōu)化研究;瓦斯流動;抽采效果顯著

Key words： high drainage roadway;optimization research;gas flow;remarkable drainage effect

中圖分類號：TD712.62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0147-02

0? 引言

瓦斯因素嚴重影響礦井的安全和高產高效。隨著礦井逐步向深部水平延伸，瓦斯賦存逐步增大，瓦斯影響生產的現象占比較大。所以針對綜采工作面礦山壓力規(guī)律的研究，直接關系到上覆鄰近層瓦斯抽放效果。目前工作面存在著“采前本煤層難抽，采中鄰近層瓦斯涌出大”的特點。

1? 高抽巷瓦斯抽放機理

1.1 上覆巖層三帶分布機理? 隨著工作面向前推采，在工作面前后范圍內將形成一個采動壓力場，影響范圍內在垂直方面上形成“三個帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。上覆巖層受采動壓力場影響形成的裂隙帶便成為了瓦斯流動主要場所和通道。通過高抽巷內負壓抽采，加速了采空區(qū)和鄰近層內瓦斯的流動，實現大量高濃度瓦斯穩(wěn)定抽出。鄰近層的瓦斯抽放率可達90%以上。

1.2 上覆巖層瓦斯流動、分布? 工作面推采后，后方采空區(qū)成為應力釋放區(qū)，鄰近煤層、上覆巖層內的大量瓦斯在原始瓦斯壓力的作用下，通過上覆巖層裂隙帶大量涌入采空區(qū)。在工作面U型通風負壓影響下使工作面上下端頭產生壓差，風流帶動采空區(qū)內的瓦斯向低壓端流動;瓦斯的密度為0.7163 kg/m3，是空氣密度（1.29kg/m3）的0.554倍，空氣浮力使瓦斯向上運動[1]。采空區(qū)的瓦斯沿工作面傾斜方向流動并經上隅角積聚、涌出。而且采空區(qū)內的瓦斯容易通過上隅角進入回風巷，引起回風巷風流中瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

通過理論分析、井下實測相結合的研究方法，全面掌握煤層開采覆巖移動規(guī)律、裂隙分布特征及瓦斯運移富集規(guī)律。綜合分析高抽巷最優(yōu)布置層位，找準裂隙帶“O”型圈范圍，即能抽到大量高濃度瓦斯，為瓦斯發(fā)電提供穩(wěn)定氣源;同時也能達到消除上隅角瓦斯積聚、回風流瓦斯超限的目的。

2? 三帶數據模擬、層位設計

2.1 裂隙帶高度計算? 目前通過礦井多個一次采全高綜采工作面，實測三帶高度統計數據的搜集和研究，給出了綜合機械化開采中硬或軟弱覆巖條件下工作面“三帶”高度預計公式[2]。

15號煤層直接頂板為泥巖或與砂質泥巖互層，局部夾粉砂巖，厚度為16.33～36.77m，平均厚23.40m，屬半堅硬巖層。抗壓強度25.6～83.3MPa，平均41.4MPa。根據下式中硬巖石跨落帶高度計算公式：

中硬巖石導水裂隙帶高度計算公式：

經計算，15號煤層跨落帶和導水裂隙帶高度見表1。

經計算15號煤層裂隙帶高度取最大值，裂隙帶高度為52.90m。

2.2 高抽巷層位選擇? 由于開采15號煤層時，鄰近層瓦斯涌出來自上鄰近層，故設計采用頂板高抽巷抽采上鄰近層瓦斯。高抽巷是指在開采15號煤層的頂部上覆巖層處于采動形成的裂隙帶內布置的專用抽采鄰近層瓦斯巷道。高抽巷之所以必須布置在裂隙帶內是根據15號煤層賦存特點，同時參考陽泉礦區(qū)礦井現場鄰近層瓦斯治理經驗，將高抽巷應布置在裂隙帶范圍內的中下部，裂隙帶高度主要依據開采煤層頂板巖石堅硬程度和采高確定，一般為采高的10～12倍左右，垮落帶高度同樣根據開采煤層頂板巖石堅硬程度和采高確定，一般為采高的6～8倍。考慮到高位巷施工工程量盡可能小、施工進度盡可能快及工程投資合理等實際要求，設計巷道凈高為3.0m，凈寬為4.0m，斷面積為12m2。高抽巷由輔助運輸大巷向15號煤層頂板爬坡至距頂板45～50m后，沿工作面走向向切眼方掘進。

2.3 UDEC分析? ①模型建立。根據白羊嶺煤礦頂底板基本情況沿工作面傾向建立三維3DEC數值模型，長360m，寬2m，高156m的含煤柱模型。根據現在地質資料，將數值模型簡化為23個不同巖層。該模型本模型建立高度156m，頂部未至地表，在頂部邊界施加等效載荷，等效載荷按照下式計算，距離地表290m，帶入下式算得施加6.75Mpa的力。等效載荷計算公式：

模型具有6個自由面，除了頂部邊界，其余5個邊界均采用速度為0固定。巖體本構關系采用Mohr-Coulomb準則，忽略其配采方案，各煤層采用下行式回采方案。沿工作面傾向根據實際建立工作面，由此形成了360m×2m×156m的原始模型。在采用3DEC計算時，利用3DEC的hist命令語句對頂板不同高度、距煤柱不同距離的位置進行位移及應力的跟蹤監(jiān)測，由監(jiān)測數據分析頂板位移場確定所有煤開采后最終的裂隙區(qū)發(fā)育程度。根據白羊嶺礦區(qū)具體地質資料，建立由23層煤巖層組成的數值模型。

②采空區(qū)覆巖垮落及裂隙發(fā)育過程分析。工作面回采后，將直接引起直接頂的垮落，開挖至20m時直接頂部分垮落，垮落高度達到2m，范圍超過工作面長度一半，此時發(fā)生直接頂的初次垮落，初次垮落步距是20m，隨著工作面從開切眼除向前推進，直接頂懸露面積當達到其極限垮落步距時就會開始垮落，開挖到30m時，直接頂懸露面積增大，達到其極限垮落步距時就會開始垮落，基本頂開始裂隙發(fā)育，巖塊發(fā)生回轉失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)，此時發(fā)生初次來壓，初次來壓步距是30m，繼續(xù)推進老頂裂隙不斷發(fā)育，繼續(xù)開挖到50m直接頂基本發(fā)生大面積垮落，垮落高度達到整個直接頂厚度，基本頂產生大量裂隙，頂板出現臺階下沉和延煤壁切落，底板下沉量變大，此時發(fā)生周期來壓，周期來壓步距是50m，垮落高度達到整個直接頂厚度，隨著工作面繼續(xù)推進，基本頂的懸露面積越來越大，開挖到60m基本頂發(fā)生大面積斷裂，產生破斷，此時將發(fā)生老頂的初次來壓，繼續(xù)開挖會使裂隙向上覆巖層不斷擴展，下部垮落巖石會被逐漸被壓實，開挖至80m時開始產生離層，關鍵層發(fā)生破斷，90m關鍵層裂隙不斷發(fā)育，破斷加深，開挖至110m產生老頂的周期來壓，此時裂隙最大發(fā)育，隨著工作面繼續(xù)向前推進，巖層裂隙不斷發(fā)育，同時伴隨著巖層裂隙逐漸被壓實，產生彎曲下沉，開挖至139m上覆巖層開始宏觀肉眼可見下沉，隨著工作面不斷向前推采，上覆巖層逐漸下沉，下部垮落巖層逐漸被壓實，開挖到200m時，工作面開挖結束，此時直接頂基本全部垮落，基本頂裂隙大量發(fā)育，上覆巖層產生明顯下沉。

③采空區(qū)垮落及裂隙分布。工作面回采后上方頂板的粉砂巖發(fā)生不規(guī)則的垮落，并逐漸壓實，屬于垮落帶，數值計算得垮落帶高度為12.17m。再往上的9個巖層均產生不同程度裂隙，巖層排列整齊，屬于裂隙帶。根據前述三帶高度計算結果和上述分析可判斷72.63m是彎曲下沉帶和裂隙帶分界線，13.52m是垮落帶和裂隙帶的分界線。

2.4 數值模擬結果? 采用3DEC針對工作面開采后采空區(qū)上方裂隙演化規(guī)律進行模擬計算分析，結合礦井實際地質資料，利用模型，沿煤層傾向做剖面，對采空區(qū)四周應力分布隨工作面向前推進距離的不同所呈現出的規(guī)律及變化特點進行模擬，同時對采動造成的頂板煤巖體下沉規(guī)律進行總結說明，對巖體冒落形態(tài)及裂隙帶分布特征進行對比分析并加以總結。

運用數值模擬，通過間接計算和垂直位移分析的方法，得到了裂隙區(qū)的重要幾何參數，結合兩帶高度計算，二者互為印證，結果較為準確。綜上所述，裂隙區(qū)和壓實區(qū)所呈嵌套關系的外側梯形底角60°，內側梯形底角49°，內外兩梯形之間的寬度約為8.4m，冒落帶高度為13.52m，裂隙區(qū)高度為72.63m。

結合采空區(qū)上覆巖瓦斯通道分區(qū)知，“對稱梯形”及周圍與其貫通的微觀裂隙構成了瓦斯通道網絡區(qū)，即“O”形圈成為采空區(qū)瓦斯聚集帶。該區(qū)域裂隙大、瓦斯富集，流動性強、滲透性高，是瓦斯抽采的重點區(qū)域[3]。根據模擬計算可把高抽巷布置在距頂煤距離為36.37～72.63m的9號煤層與12號之間煤層賦存相對比較穩(wěn)定，高位抽巷布置在距頂煤45～50m之間的11#煤上部砂巖為頂板進行施工為最優(yōu)方案。

3? 高抽巷抽采與上隅角瓦斯相關性分析

15110工作面高抽巷初次來壓開始抽采前，上隅角瓦斯?jié)舛冉洺３^1%，當高抽巷起效之后，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低到0.5%左右，對上隅角瓦斯有了很好的牽制作用。從圖1的趨勢線可以看出，高抽巷抽采量和上隅角瓦斯?jié)舛瘸拭黠@的負相關系，加強高抽巷抽采可以有效降低上隅角和回風流瓦斯?jié)舛取?/p>

4? 高抽巷抽放鄰近層瓦斯效果

通過分析日常15110工作面生產期間抽放鄰近層瓦斯，高抽巷標況瓦斯抽采流量170～200m3/min、瓦斯?jié)舛?5～42%，抽放純瓦斯量65～84m3/min，僅高抽巷抽采量占工作面總體瓦斯涌出量的90%以上，高抽巷抽采治理效果顯著。

5? 結論

對于高瓦斯礦井工作面，瓦斯來源主要來自上覆鄰近層的，高抽巷是解決綜采工作面上覆鄰近層瓦斯的有效途徑，特別是治理回采工作面上隅角瓦斯涌出較大的可行措施。陽泉礦區(qū)、平頂山和盤江等礦區(qū)開展了大量的高抽巷瓦斯抽放研究，保證了礦井煤炭生產的順利進行。

參考文獻：

[1]李青柏，李文洲.高抽巷布置優(yōu)化設計及分析[J].煤礦開采，2010，15（5）：28-29.

[2]白羊嶺煤礦礦井瓦斯抽放初步設計[D].山西國辰建設工程勘察設計有限公司，2009.

[3]喬鑫.余吾煤業(yè)地面鉆井抽采采空區(qū)瓦斯的技術實踐[J].煤炭技術，2015，34（10）：158-160.