張 偉
(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉中有限公司,山西 晉中 030600)
煤礦開采過程中,瓦斯事故是影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素,實(shí)踐證明,頂板高抽巷是解決瓦斯問題的有效方法,而高抽巷合理位置的選擇,對瓦斯抽采效果以及巷道圍巖穩(wěn)定等都有著重要影響[1-3]。本文以山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)紫金煤業(yè)6102工作面實(shí)際情況為背景,結(jié)合本礦的開采情況和煤層賦存條件,利用理論計(jì)算和FLAC3D數(shù)值模擬軟件,確定高抽巷的合理層位,保障工作面的正常生產(chǎn)。
紫金煤業(yè)位于山西省晉中市附近,主采煤層包括6#和15#煤層。6102工作面位于+450m水平一采區(qū),主采6#煤層,煤層厚度為1.87~2.71m,平均2.25m,為中厚煤層,含0~2層夾矸,結(jié)構(gòu)簡單,埋深約686m,傾角約6°,屬于近水平煤層,工作面走向長度1306m,傾向長度180m。煤層直接頂為8.75m厚的泥巖,基本頂為13.01m厚的粉砂巖,直接底為8.64m的泥巖,其綜合柱狀圖如圖1所示。
圖1 巖層綜合柱狀圖
煤層開采后,受采動影響,頂板上覆巖層可分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶??迓鋷r層在工作面推進(jìn)后不規(guī)則垮落,其上部即為裂隙帶巖層,裂隙帶又可分為兩個(gè)部分,下部為破斷裂隙,是由于巖層受拉剪破壞形成,上部為離層裂隙,是由于頂板巖層下沉不同步造成。煤層開采后,巖層垮落充滿采空區(qū),頂板巖層裂隙被壓實(shí),而裂隙帶上部的離層部分卻能一定程度上被保留,采空區(qū)內(nèi)的瓦斯通過裂隙涌向離層,成為瓦斯積聚的主要場所[4]。
頂板高抽巷正是利用瓦斯運(yùn)動的這一特性,將巷道布置在裂隙帶范圍內(nèi),煤層開采后,周圍巖層受到損傷破壞,裂隙發(fā)育,附近煤層與巖層內(nèi)的瓦斯通過裂隙向采空區(qū)積聚,再由高抽巷抽出。因此,確定高抽巷的合理位置對瓦斯抽采效果十分重要[5]。
通過前面的分析可知,高抽巷應(yīng)布置在頂板裂隙帶中下部,一方面,距離瓦斯積聚區(qū)域較近,可以保障瓦斯抽采效果,另一方面,位于裂隙帶中下部,可以保障巷道圍巖相對穩(wěn)定,不會隨煤層開采而冒落。
因此,高抽巷層位的計(jì)算公式為:
式中:
Hz-高抽巷的層位高度,m;
Hm-頂板冒落高度,m;
ΔHm-安全高度,一般為1~1.5倍采高,m;
Hl-頂板裂隙帶高度,m。
通過式(1)、(2)可以看出,高抽巷的層位與頂板冒落帶和裂隙帶的范圍有著直接關(guān)系,這樣,才能得到高抽巷層位的準(zhǔn)確位置。
頂板冒落帶高度的計(jì)算公式為:
式中:
M-煤層采高,取2.25m;
k-頂板巖層碎漲系數(shù),取1.4;
α-煤層傾角,取6°。
將數(shù)據(jù)代入式(3),可得:
頂板裂隙帶高度的計(jì)算公式為:
將煤層采高2.25m代入式(4),可得頂板裂隙帶高度為:
由式(2)、(3)、(4)可知,高抽巷的合理層位應(yīng)為:
計(jì)算結(jié)果所示范圍較大,不能準(zhǔn)確得到高抽巷層位,還需借助數(shù)值模擬軟件,確定高抽巷合理位置。
頂板高抽巷水平位置可由下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[5]:
式中:
S-高抽巷與回風(fēng)巷之間水平距離,m;
Hx-高抽巷與煤層垂直距離,取裂隙帶高度25m;
B-高抽巷與“O”型圈距離,取20m;
θ-煤層與裂隙到開采邊界連線的夾角,取60°;
其余符號與前面相同。將數(shù)據(jù)代入可得
由計(jì)算結(jié)果可知,高抽巷位置應(yīng)在距離回風(fēng)順槽40m以內(nèi)。
通過前面的理論計(jì)算,確定的高抽巷層位范圍較廣,下面利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,確定高抽巷的準(zhǔn)確位置。
根據(jù)圖1所示綜合柱狀圖,結(jié)合實(shí)際情況作出適當(dāng)簡化,建立數(shù)值模型。煤層頂板至地表簡化為7個(gè)巖層,累計(jì)厚約690m;煤層底板可簡化為2個(gè)巖層,累計(jì)厚度約200m,工作面兩側(cè)留200m邊界煤柱。因此,整個(gè)模型水平寬580m,豎向高900m。模型示意圖如圖2所示。
圖2 工作面數(shù)值模型
建立數(shù)值模型后,對工作面進(jìn)行開挖,記錄煤層開挖后的塑性區(qū)、垂直位移和應(yīng)力分布,如圖3~5所示。
圖3 工作面塑性區(qū)圖
圖4 工作面垂直位移圖
圖5 工作面最大水平應(yīng)力圖
如圖3所示,工作面回采后頂?shù)装鍘r層內(nèi)形成塑性區(qū),其中,拉伸破壞區(qū)域表示頂板垮落帶巖層區(qū)域,由圖3可知,頂板垮落高度約為8~10m;由于煤層存在一定傾角,所以工作面兩側(cè)的垮落角并非完全一致,左側(cè)垮落角約α≈60~65°,右側(cè)垮落角約β≈40~45°。由頂板塑性圖可知,高抽巷應(yīng)位于垮落帶上方垮落角之間,即有
如圖4、5所示,采空區(qū)兩側(cè)煤壁上方存在一定范圍明顯的卸壓區(qū),說明這一區(qū)域內(nèi)的采動裂隙較為發(fā)育,頂板高抽巷應(yīng)盡量布置在這一卸壓區(qū)內(nèi),即圖5所示的橙色區(qū)域內(nèi),圖中A點(diǎn)位置有:
B點(diǎn)位置有:
其中:
LA-A點(diǎn)與回風(fēng)巷之間距離;
LB-B點(diǎn)與回風(fēng)巷之間距離;
HA-A點(diǎn)與煤層的垂直距離;
HB-B點(diǎn)與煤層的垂直距離。
綜上所述,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,頂板高抽巷應(yīng)布置在距離回風(fēng)巷30~40m,距離煤層頂板15~24m處。
根據(jù)紫金煤業(yè)6102工作面實(shí)際地質(zhì)條件,為解決礦井瓦斯抽采問題,對高抽巷合理位置進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:
(1)根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,高抽巷應(yīng)布置在距離煤層頂板7.26~40m處,距離回風(fēng)巷水平距離約40m內(nèi);
(2)通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)一步確定高抽巷位置,認(rèn)為高抽巷應(yīng)布置在距離煤層頂板15~24m處,距離回風(fēng)巷水平距離30~40m處。