高抽巷布置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

李青柏,李文洲

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第一煤礦,安徽淮南 232082;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

高抽巷布置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

李青柏1,李文洲2

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第一煤礦,安徽淮南 232082;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

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根據(jù)采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律及瓦斯流動(dòng)分布規(guī)律,對特定地質(zhì)采礦條件下高抽巷布置的機(jī)理、方法和效果進(jìn)行了分析研究,并對現(xiàn)場施工情況進(jìn)行總結(jié),為類似條件下的采礦設(shè)計(jì)提供參考。

高抽巷;優(yōu)化設(shè)計(jì);巖層移動(dòng);瓦斯流動(dòng)

煤層瓦斯因素嚴(yán)重制約礦井的高產(chǎn)高效。隨著礦井開采向深部延伸,瓦斯含量和瓦斯壓力越來越大,瓦斯影響生產(chǎn)的現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重,針對特定的采場條件,從設(shè)計(jì)上解決瓦斯制約問題是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。本煤層消突和高抽巷掩護(hù)消突是保護(hù)層開采解決瓦斯問題較為合理的方法。高抽巷的合理布置對快速掘進(jìn)和采場接替有重要意義。

1 高抽巷布置機(jī)理

1.1 采空區(qū)上覆巖層冒落、裂隙規(guī)律

煤層開采后,上覆巖層從直接頂開始,由下而上都將遭受變形和破壞,改變自然狀態(tài),進(jìn)入開始運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。在其冒落中形成兩類裂隙,一類是巖層下沉?xí)r,由于巖性、層厚不同,使巖層產(chǎn)生非均勻下沉,并在下沉過程中在層與層理之間出現(xiàn)沿層裂隙,稱之為離層裂隙;另一類是巖層下沉過程中彎曲、斷裂形成的垂直巖層的裂隙,稱為穿層裂隙。正是這兩類裂隙的產(chǎn)生和分布的不均性,使部分巖層冒落,部分巖層離層、斷裂,部分巖層彎曲下沉。當(dāng)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定后,可近似地將其劃分為 “豎三帶”和 “橫三區(qū)”。即:在采空區(qū)沿垂直方向由下而上分為冒落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶;沿工作面推進(jìn)方向及傾斜方向分為煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)。重新壓實(shí)區(qū)位于采空區(qū)中部,隨著工作面的不斷推進(jìn),靠工作面煤壁的原離層區(qū)被逐步壓實(shí)成新的“重新壓實(shí)區(qū)”,故重新壓實(shí)區(qū)是隨工作面的推進(jìn)而移動(dòng)的,而開切眼側(cè)和上下巷側(cè)的離層區(qū)由于煤柱的支承作用,能較長時(shí)間地存在。這些能長時(shí)間存在的離層區(qū)和工作面空間相互貫通,形成一個(gè)連通的環(huán)形圈,即所謂“O”形圈。

1.2 采空區(qū)瓦斯流動(dòng)、分布及抽放原理

采空區(qū)瓦斯的流動(dòng)一般受 3種力的作用:對工作面圍巖和鄰近煤層來說,采空區(qū)是一種應(yīng)力釋放區(qū),鄰近瓦斯在原始?jí)毫ψ饔孟?通過裂隙大量涌入采空區(qū);通風(fēng)動(dòng)力使工作面及采空區(qū)兩端產(chǎn)生壓差,風(fēng)流帶動(dòng)瓦斯向低壓端流動(dòng);瓦斯的密度為空氣密度的 0.554倍,空氣浮力使瓦斯向上運(yùn)動(dòng)。以U型通風(fēng)而言,由于這 3種力的共同作用,采空區(qū)的瓦斯將沿工作面傾斜方向向上流動(dòng)并經(jīng)上隅角涌出。同時(shí)由于“O”型圈的存在,為采空區(qū)及上覆巖層裂縫帶內(nèi)瓦斯的流動(dòng)和儲(chǔ)存提供了通道和空間。采空區(qū)瓦斯沿工作面傾向呈上大下小,沿走向距工作面一定范圍內(nèi)呈由小到大,隨推進(jìn)距離增大由大到小的趨勢分布。

由于“O”型圈存在的空間是采空區(qū)瓦斯流動(dòng)和積聚的主要場地,且瓦斯的流動(dòng)和積聚呈一定的規(guī)律分布,因此,采空區(qū)瓦斯抽放的原理就是要利用采動(dòng)裂隙“O”型圈這一巖層移動(dòng)特征,將高抽巷或走向鉆孔布置在瓦斯?jié)舛茸罡?、積聚量最大的部位,達(dá)到消除上隅角瓦斯積聚、回風(fēng)流瓦斯超限的目的。

2 地質(zhì)條件及巷道布置情況

2621(1)工作面位于西三下部采區(qū),上鄰2611(1)采空區(qū),標(biāo)高 -564～-594m?；卷敒橹猩皫r,均厚 7.36m,灰白色。偽頂為泥巖及煤線,均厚 0.5m,灰黑色,易碎。直接底為泥巖,局部為砂質(zhì)泥巖,深灰色,均厚 1.03m,老底為細(xì)砂巖,淺灰色,細(xì)粒結(jié)構(gòu),均厚 1.8m。11-2煤,黑色,以塊狀為主,少量粉沫狀、片狀,屬半亮型,厚 1.1～1.8m,平均煤厚 1.4m。工作面中東部 11-2煤層發(fā)育一層偽頂,由泥巖及煤線組成,易冒落,厚 0～1.28m,平均厚度 0.5m。工作面東部受 F4斷層組牽引影響,煤層產(chǎn)狀變化較大,預(yù)計(jì) 11-2煤層產(chǎn)狀為:180～266°∠4～8°。

2621(1)工作面西起西三 11-2煤層膠帶機(jī)上山,東至 F4斷層組。工作面北為 2611(1)工作面(2006年 6月收作);南為 11-2煤未采塊段,無采掘活動(dòng)。西為 11-2煤層系統(tǒng)巷道,西上方為西三13-1煤層系統(tǒng)巷道。工作面正上方對應(yīng) 1661(3)工作面采空區(qū)與 1671(3)工作面采空區(qū)。

3 高抽巷布置方案

3.1 層位選擇

合理的層位布置應(yīng)該最大限度地發(fā)揮高抽巷的作用。根據(jù) 2621(1)工作面頂板巖性資料,巷道布置在砂質(zhì)泥巖中,沿此巖層布置巷道不僅施工方便且可以減小成本,且巷道處于裂縫帶內(nèi),可以最大程度發(fā)揮高抽巷的作用。

3.2 平面優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對高抽巷層位選擇的闡述,結(jié)合所在工作面的地質(zhì)情況,對高抽巷的布置給出以下 3種布置方案,見圖1。

圖1 高抽巷布置方案

方案Ⅰ:如圖 1,2621(1)運(yùn)輸巷內(nèi)迎頭向后 10m內(nèi)側(cè)施工,巷道與運(yùn)輸巷夾角 40°,先按14°上坡施工 30m (矸石倉),改向按運(yùn)輸巷同方位 14°上坡施工 40m(膠帶機(jī)機(jī)頭)變平,沿 11煤頂板砂質(zhì)泥巖施工 710m,再按 8°下山施工 60m停頭。這樣高抽巷與運(yùn)輸巷垂直距離 16～20m,水平距離 18m,布置在裂縫帶內(nèi)。

方案Ⅱ:如圖 1,2621(1)運(yùn)輸巷內(nèi)迎頭向后 10m外側(cè)施工,巷道與運(yùn)輸巷夾角 35°,先按14°上坡施工 43m (矸石倉),改向按運(yùn)輸巷同方位 14°上坡施工 28m(膠帶機(jī)機(jī)頭)變平,沿 11煤頂板砂質(zhì)泥巖施工 700m,再按 7°下山施工 50m停頭。這樣高抽巷與運(yùn)輸巷垂直距離為 16～20m,水平距離為 20m,布置在裂縫帶內(nèi)。

方案Ⅲ:如圖 1,2621(1)運(yùn)輸巷內(nèi)迎頭向后 10m外側(cè)施工,先按垂直運(yùn)輸巷方向 30°上坡施工 18m,然后改向與運(yùn)輸巷同向 14°上坡施工 35m變平,沿11煤頂板砂質(zhì)泥巖施工720m,再按7°下山施工 50m停頭。這樣高抽巷與運(yùn)輸巷垂直距離為 16～20m,水平距離 18m,布置在裂縫帶內(nèi)。

3個(gè)方案的供電、通風(fēng)系統(tǒng)一致,均具備生產(chǎn)需要。從運(yùn)輸方面看:由于工作面與軌道上山之間穿過膠帶機(jī)上山,故出矸系統(tǒng)為:迎頭→運(yùn)輸巷→矸石倉立眼→回風(fēng)下山→軌回聯(lián)巷→軌道上山→大巷,出矸系統(tǒng)復(fù)雜,提絞繁瑣。由于運(yùn)輸巷膠帶早已安裝好,且須為掘進(jìn)出煤用,故運(yùn)輸巷內(nèi)無法設(shè)矸石倉,設(shè)計(jì)巷道內(nèi)部需具備一定的儲(chǔ)矸能力。

方案Ⅰ、Ⅱ在設(shè)計(jì)中已清楚布置矸石倉,方案Ⅲ若要設(shè)矸石倉,只能在 30°上山變向后,那么矸石倉耙矸機(jī)須安裝在 30°上山變向點(diǎn)處,膠帶機(jī)頭則置于平巷內(nèi),而 30°斜巷必須鋪設(shè)鏈板機(jī)?？梢钥闯龇桨涪蠊ば驈?fù)雜,設(shè)備多,安全隱患大,故方案Ⅲ放棄。

比較方案Ⅰ、Ⅱ:兩個(gè)方案機(jī)電、通風(fēng)、運(yùn)輸系統(tǒng)一致,區(qū)別是方案Ⅰ運(yùn)輸巷內(nèi)側(cè)施工,矸石倉30m,方案Ⅱ運(yùn)輸巷外側(cè)施工,矸石倉 43m。矸石倉的大小是儲(chǔ)矸能力的體現(xiàn),因此,方案Ⅱ儲(chǔ)矸能力好。兩個(gè)方案打鉆鉆孔分布類同,控制范圍都可以達(dá)到預(yù)期,不同的是方案Ⅱ可以做為下一個(gè)工作面開采時(shí)高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯用,省了 1條820m的巷道,而方案Ⅰ則不可以,因此,方案Ⅰ放棄,選擇方案Ⅱ。

3.3 巷道支護(hù)形式及斷面規(guī)格

巷道主要是用于抽放瓦斯,服務(wù)年限將隨著采面的收作而結(jié)束,因而其斷面大小和支護(hù)形式只要能滿足掘進(jìn)期間的施工和打鉆施工的使用即可,巷道全長 820m,施工期間膠帶運(yùn)輸,因此,巷道斷面規(guī)格為 3.6m×2.9m,采用錨網(wǎng)支護(hù),錨桿規(guī)格<20mm×2000mm,間排距1000mm×500mm,巷道內(nèi)間隔 50m一個(gè)鉆場,鉆場規(guī)格 4600mm× 3000mm,深度 5000mm。

4 工程應(yīng)用

2621(1)現(xiàn)場施工中,巷道設(shè)計(jì)的矸石倉極大緩解了車皮供應(yīng)不足、出矸困難的問題,利用儲(chǔ)矸空間,適時(shí)調(diào)整工時(shí)和工序,保證了巷道的正常掘進(jìn);錨網(wǎng)支護(hù)及層位布置即滿足了巷道的服務(wù)年限,節(jié)省了材料消耗,又加快了施工進(jìn)度。據(jù)統(tǒng)計(jì),施工隊(duì)月均單進(jìn) 180m,在出矸系統(tǒng)復(fù)雜的情況下,提前竣工,保證了接替的順利。高抽巷鉆場打抽采鉆孔,掩護(hù)運(yùn)輸巷,運(yùn)輸巷復(fù)工后,最快月進(jìn)尺 300m,施工過程中檢驗(yàn)無瓦斯超標(biāo)現(xiàn)象,瓦斯危險(xiǎn)消除。施工結(jié)束一年多,根據(jù)現(xiàn)場觀測,支護(hù)效果良好,巷道內(nèi)支護(hù)無明顯變形。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析及結(jié)論

錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì),在保證巷道服務(wù)年限的前提下,降低了材料消耗,符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化理念。

矸石倉輔助膠帶的設(shè)計(jì),在運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜,車皮供應(yīng)緊張的情況下,提高了工效,保證了月單進(jìn),巷道提前竣工,確保了接替的順利,為高產(chǎn)高效打下基礎(chǔ)。

高抽巷的外側(cè)布置,為下一工作面的開采省了一條 820m的高抽巷,直接經(jīng)濟(jì)效益可觀,降低了生產(chǎn)成本,為類似條件下,錨網(wǎng)支護(hù)、矸石倉輔助膠帶、外側(cè)高抽巷的設(shè)計(jì),提供了借鑒作用。

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]錢鳴高,繆協(xié)興 .采場上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)和受力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1995,14(2):97-106.

[3]錢鳴高,許家林 .覆巖采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈特征研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1998,23(5):466-469.

[4]李樹剛,石平武,錢鳴高 .覆巖采動(dòng)裂隙橢拋帶動(dòng)態(tài)分布特征研究 [J].礦山壓力與頂板管理,1999,3(4):44-46.

[5]何學(xué)秋,周世寧 .煤和瓦斯突出機(jī)理的流變假說 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1990,19(2).

[責(zé)任編輯:王興庫]

TD712.6

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1006-6225(2010)05-0028-02

2010-06-08

李青柏 (1981-),男,山東青島人,助理工程師,現(xiàn)在潘集第一煤礦技術(shù)科設(shè)計(jì)室工作。