基于能量場理論的高瓦斯綜放面高抽巷合理布置層位研究*

黃志增

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

基于能量場理論的高瓦斯綜放面高抽巷合理布置層位研究*

黃志增1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013)

為了確定高瓦斯綜放工作面高抽巷的合理布置層位，分析了采場覆巖能量場、裂隙場及瓦斯流場的相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為三場之間具有空間上的一致性，據(jù)此提出了基于能量場理論計(jì)算高抽巷合理布置層位的方法，給出了計(jì)算潞安礦區(qū)高抽巷位置的理論計(jì)算表達(dá)式。通過現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證表明，基于能量場理論計(jì)算確定的高抽巷合理布置層位與實(shí)測結(jié)果一致，說明該方法具有較好的現(xiàn)場適用性。

能量場理論 綜放工作面 瓦斯高抽巷 布置層位

高抽巷是治理采空區(qū)瓦斯和鄰近層瓦斯的一種抽采技術(shù)，能有效阻止裂隙帶高濃度瓦斯進(jìn)入采煤工作面，在我國高瓦斯礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。高抽巷的合理布置層位及抽放負(fù)壓是影響高抽巷抽放瓦斯效果的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，特別是布置層位的選擇對于抽放效果具有決定性作用。

高抽巷層位一般采用三帶理論分析確定，將高抽巷布置于冒落帶上部、裂隙帶中下部位置，得出的是一個指導(dǎo)布置的范圍值，再通過工作面的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行修正。目前國內(nèi)主要礦區(qū)的綜放工作面都已實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，工作面開采強(qiáng)度大，如潞安礦區(qū)主采3#煤層，其工作面單產(chǎn)一般都在500萬t以上，工作面推進(jìn)速度快，因此在相對短的時間內(nèi)，上覆巖層尚未形成典型的三帶特征，通過三帶理論指導(dǎo)高抽巷的布置具有一定的局限性。本文以潞安礦區(qū)高瓦斯綜放面高抽巷布置為工程實(shí)例，探索指導(dǎo)高抽巷布置的適宜方法。

1 能量場、裂隙場、瓦斯流場的相關(guān)關(guān)系

煤礦的開采活動在采場覆巖中形成裂隙場，裂隙場內(nèi)裂隙充分發(fā)育，為本煤層解析出的瓦斯提供了運(yùn)移通道，形成了瓦斯流動的瓦斯流場，裂隙場和瓦斯流場在空間上有一定的統(tǒng)一性。而覆巖裂隙發(fā)育存在能量的交換與釋放，將采場范圍內(nèi)受采動影響產(chǎn)生的能量事件的分布場稱之為能量場。通過對開采過程中采場覆巖能量事件分布的分析，得到覆巖裂隙場、瓦斯流場與能量場的內(nèi)在規(guī)律。

煤礦井下的采掘活動導(dǎo)致周圍巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，使得應(yīng)力重新分布，而部分巖體如果不能承受重新分布后的應(yīng)力，超出其破壞極限，就會發(fā)生巖體破裂。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，巖石或巖體的破壞過程都伴隨彈性波或應(yīng)力波的釋放和傳播，產(chǎn)生聲發(fā)射或微地震現(xiàn)象。該現(xiàn)象反映了煤巖內(nèi)部的損壞情況與其內(nèi)部原生裂隙的壓密、新裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通等演化過程密切相關(guān)。而礦山采場及巷道圍巖破壞前后發(fā)生的微震，屬于礦體—圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)被破壞并且釋放出大于消耗能量的瞬間震動。每次能量的突然釋放均伴隨應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞，從物理破壞點(diǎn)(震源)向外傳播地震波。

采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對潞安礦區(qū)3#煤層余吾礦S2205與N2105兩個典型綜放工作面采場覆巖的能量分布進(jìn)行監(jiān)測，綜放工作面采場覆巖內(nèi)能量事件分布監(jiān)測結(jié)果見圖1，圖中圓點(diǎn)代表微震事件，圓點(diǎn)的面積越大代表微震事件的能量越大。

由監(jiān)測工作面覆巖內(nèi)的能量事件分布情況可見，能量事件的分布大致呈拱形分布(除底板能量事件)，與裂隙場的分布基本一致，由此可知巖體破壞造成裂隙產(chǎn)生發(fā)育，同時伴隨能量釋放，二者與瓦斯流場具有空間與時間上的統(tǒng)一性。也就是說裂隙場內(nèi)包含了大部分的微震能量事件，即裂隙場是工作面附近釋放的能量事件的“包體”，裂隙場內(nèi)發(fā)生了瓦斯的流動和能量的釋放，裂隙場、瓦斯流場和覆巖受采動影響表征出來的能量場存在空間上的一致性。

圖1 綜放工作面采場覆巖內(nèi)能量事件分布

2 基于能量場理論的高抽巷設(shè)計(jì)方法

由于能量場、裂隙場以及瓦斯流動場在采動空間上表現(xiàn)出來一致性，在高強(qiáng)度開采條件下，采動空間能量釋放大的區(qū)域，頂板裂隙也較為發(fā)育，為瓦斯運(yùn)移提供了足夠的通道。因此，高抽巷應(yīng)布置于能量密集區(qū)的上位附近，既能保證高抽巷的變形趨緩，又可實(shí)現(xiàn)對裂隙場內(nèi)瓦斯進(jìn)行最充分的抽采。

通過分析潞安礦區(qū)高抽巷抽采瓦斯效果較好的典型綜放工作面，繪制出監(jiān)測工作面不同覆巖層位的能量事件頻次直方圖，見圖2?？梢姼叱橄锖侠韺游晃恢镁挥谀芰渴录芗瘏^(qū)上位附近。

由上述分析可知高抽巷的合理層位應(yīng)位于能量事件密集區(qū)的上位，而裂隙場和能量場存在空間上的線性相關(guān)性，則可知能量場密集區(qū)上限位置H高與裂隙場拱高H拱的各因素呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，則：

(1)

式中：H高——高抽巷距煤層垂高，m；

H拱——裂隙場拱高，m；

x——煤層厚度，m；埋藏深度，m；工作面長度，m；推進(jìn)速度，m/d；

k——線性系數(shù)；

a——二次項(xiàng)系數(shù)；

b——一次項(xiàng)系數(shù)；

c——常數(shù)。

潞安礦區(qū)3#煤層工作面長度一般在230～320 m之間，按照傳統(tǒng)理論，基本達(dá)到傾向方向上的充分采動，對裂隙拱的發(fā)育高度影響較小，則在確定潞安礦區(qū)3#煤層高抽巷合理層位時，分析因素主要包括工作面煤層厚度、工作面埋藏深度和工作面平均推進(jìn)速度。根據(jù)裂隙場拱高與各因素之間的擬合關(guān)系，考慮一定的權(quán)重系數(shù)，結(jié)合潞安礦區(qū)近幾年在應(yīng)用高抽巷治理采空區(qū)瓦斯過程中積累的大量實(shí)測數(shù)據(jù)，通過擬合求得最優(yōu)化解集，進(jìn)一步修正得到潞安礦區(qū)合理高抽巷層位的一般計(jì)算式：

H高=-0.103x12+2.55x1+0.0000832x22

-0.0691x2+0.018x32-0.83x3+39.95 (2)

式中：x1——煤層厚度，m；

x2——埋藏深度，m；

x3——平均推進(jìn)速度，m/d。

3 應(yīng)用實(shí)例

余吾礦N1202 工作面長234.5 m，走向可采長度861.3 m，可采儲量211萬t。主采煤層為3#煤層。3#煤層容重為1.39 t/m3，煤質(zhì)松軟，平均傾角為4.3°，平均煤厚6.34 m(x1=6.34 m)，埋藏深度509.7～534.3 m，平均埋深522 m(x2=522 m)，工作面平均推進(jìn)速度3.05 m/d(x3=3.05 m/d)。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)，得N1202工作面高抽巷合理垂高為36.2 m。

為了驗(yàn)證高抽巷層位布置的合理性，對工作面回采期間的高抽巷效果進(jìn)行了實(shí)測研究。N1202工作面高抽巷在工作面回采初期層位逐漸上升，共經(jīng)歷了6個階段的層位變化，如圖3所示：第1階段

回采距離15～55 m，高抽巷層位距煤層10～22 m；第2階段回采距離55～110 m，高抽巷層位距煤層22～28 m；第3階段回采距離110～175 m，高抽巷層位距煤層28～35 m；第4階段回采距離175～260 m，高抽巷層位距煤層35～42 m；第5階段回采距離260～305 m，煤層遇沖刷帶，不參與對比；第6階段回采305 m以后，高抽巷層位距煤層40～36 m。

圖2 監(jiān)測工作面的能量事件分布

圖3 高抽巷層位變化示意圖

圖4為高抽巷處于不同層位時的抽采瓦斯?jié)舛群统椴赏咚辜兞?，圖4顯示，第3階段的后期、第4階段的前期和第6階段抽采瓦斯總量較大，瓦斯抽放效果最佳，根據(jù)對應(yīng)的高抽巷層位可知，此期間高抽巷層位約為36 m，與上述理論計(jì)算值相符合。

圖4 高抽巷不同層位時的瓦斯抽采效果

4 結(jié)論

(1)采動引起采場覆巖中能量事件的分布大致呈拱形分布，裂隙場、瓦斯流場和覆巖受采動影響表征出來的能量場保持空間上的一致性。

(2)高抽巷的合理層位應(yīng)位于能量事件密集區(qū)的上部，在這一層位布置高抽巷既能保證高抽巷的變形趨緩，又可對裂隙場內(nèi)瓦斯可進(jìn)行充分的抽采。

(3)基于能量場理論得到潞安礦區(qū)合理高抽巷層位的一般計(jì)算式：

H高=-0.103x12+2.55x1+0.0000832x22

-0.0691x2+0.018x32-0.83x3+39.95

(4)通過現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證，基于能量場理論的高抽巷層位設(shè)計(jì)方法能夠滿足現(xiàn)場需求，具有較好的適用性。

[1]王振剛,白志鵬.綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術(shù)研究.中國煤炭,2016(2)

[2]梁春豪.東曲礦28202工作面高抽巷抽放瓦斯技術(shù)試驗(yàn)研究.中國煤炭,2013(12)

[3]張愛科.陽煤集團(tuán)瓦斯治理實(shí)踐與展望.中國煤炭,2009(11)

[4]王林,王兆豐等.采用頂板走向高抽巷治理綜放面采空區(qū)瓦斯技術(shù)實(shí)踐.能源技術(shù)與管理,2010(6)

[5]李青柏,李文洲.高抽巷布置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析.煤礦開采,2010(5)

[6]朱紅青,張民波等.常村礦2103工作面頂板走向高抽巷合理層位的確定.煤炭工程,2013(6)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on high level suction roadway's reasonable locationin fully mechanized caving face with high gas based on energy field theory

Huang Zhizeng1,2

(1. Coal Mining Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to determine high level suction roadway's reasonable location in fully mechanized caving face with high gas, the relationship among energy field, fracture field and gas flow field of overlying strata was analyzed, it considered the three fields had spatial consistency, thus the design method of the high level suction roadway's reasonable location was proposed based on energy field theory, and the theoretical calculation expression of the high level suction roadway's reasonable location in Lu'an mining area was also given. Field application examples showed that the method was consistent with actual measurement results, which verified the preferable field applicability of the method.

energy field theory, fully mechanized caving face, high level suction roadway, location

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51504135)，煤炭科學(xué)研究總院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015ZYJ001)

TD353

A

黃志增(1982-)，男，江蘇泗陽人，博士研究生，副研究員，主要從事采煤方法、礦山壓力及其控制及安全高效開采技術(shù)開發(fā)與推廣工作。