煤礦高抽巷層位布置優(yōu)化研究

王庶文

摘要：根據(jù)采空區(qū)上覆巖層受采動(dòng)動(dòng)力場(chǎng)及瓦斯流動(dòng)分布規(guī)律，對(duì)特定地質(zhì)采礦條件下高抽巷的機(jī)理、方法和效果進(jìn)行分析研究，并對(duì)高位抽巷層位進(jìn)行模擬、實(shí)踐總結(jié)，使采掘工程進(jìn)入深部區(qū)域提供治理上隅角瓦斯提供依據(jù)。

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(guān)鍵詞：高抽巷;優(yōu)化研究;瓦斯流動(dòng);抽采效果顯著

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

中圖分類號(hào)：TD712.62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）21-0147-02

0? 引言

瓦斯因素嚴(yán)重影響礦井的安全和高產(chǎn)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(chǎn)的現(xiàn)象占比較大。所以針對(duì)綜采工作面礦山壓力規(guī)律的研究，直接關(guān)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(diǎn)。

1? 高抽巷瓦斯抽放機(jī)理

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

1.2 上覆巖層瓦斯流動(dòng)、分布? 工作面推采后，后方采空區(qū)成為應(yīng)力釋放區(qū)，鄰近煤層、上覆巖層內(nèi)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(fēng)負(fù)壓影響下使工作面上下端頭產(chǎn)生壓差，風(fēng)流帶動(dòng)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯向低壓端流動(dòng);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(yùn)動(dòng)[1]。采空區(qū)的瓦斯沿工作面傾斜方向流動(dòng)并經(jīng)上隅角積聚、涌出。而且采空區(qū)內(nèi)的瓦斯容易通過上隅角進(jìn)入回風(fēng)巷，引起回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

通過理論分析、井下實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法，全面掌握煤層開采覆巖移動(dòng)規(guī)律、裂隙分布特征及瓦斯運(yùn)移富集規(guī)律。綜合分析高抽巷最優(yōu)布置層位，找準(zhǔn)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(shí)也能達(dá)到消除上隅角瓦斯積聚、回風(fēng)流瓦斯超限的目的。

2? 三帶數(shù)據(jù)模擬、層位設(shè)計(jì)

2.1 裂隙帶高度計(jì)算? 目前通過礦井多個(gè)一次采全高綜采工作面，實(shí)測(cè)三帶高度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的搜集和研究，給出了綜合機(jī)械化開采中硬或軟弱覆巖條件下工作面“三帶”高度預(yù)計(jì)公式[2]。

15號(hào)煤層直接頂板為泥巖或與砂質(zhì)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(jiān)硬巖層?？箟簭?qiáng)度25.6～83.3MPa，平均41.4MPa。根據(jù)下式中硬巖石跨落帶高度計(jì)算公式：

中硬巖石導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算，15號(hào)煤層跨落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度見表1。

經(jīng)計(jì)算15號(hào)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(hào)煤層時(shí)，鄰近層瓦斯涌出來自上鄰近層，故設(shè)計(jì)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(hào)煤層的頂部上覆巖層處于采動(dòng)形成的裂隙帶內(nèi)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(nèi)是根據(jù)15號(hào)煤層賦存特點(diǎn)，同時(shí)參考陽泉礦區(qū)礦井現(xiàn)場(chǎng)鄰近層瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，將高抽巷應(yīng)布置在裂隙帶范圍內(nèi)的中下部，裂隙帶高度主要依據(jù)開采煤層頂板巖石堅(jiān)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(jù)開采煤層頂板巖石堅(jiān)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(jìn)度盡可能快及工程投資合理等實(shí)際要求，設(shè)計(jì)巷道凈高為3.0m，凈寬為4.0m，斷面積為12m2。高抽巷由輔助運(yùn)輸大巷向15號(hào)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(jìn)。

2.3 UDEC分析? ①模型建立。根據(jù)白羊嶺煤礦頂?shù)装寤厩闆r沿工作面傾向建立三維3DEC數(shù)值模型，長(zhǎng)360m，寬2m，高156m的含煤柱模型。根據(jù)現(xiàn)在地質(zhì)資料，將數(shù)值模型簡(jiǎn)化為23個(gè)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(jì)算，距離地表290m，帶入下式算得施加6.75Mpa的力。等效載荷計(jì)算公式：

模型具有6個(gè)自由面，除了頂部邊界，其余5個(gè)邊界均采用速度為0固定。巖體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)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(jù)實(shí)際建立工作面，由此形成了360m×2m×156m的原始模型。在采用3DEC計(jì)算時(shí)，利用3DEC的hist命令語句對(duì)頂板不同高度、距煤柱不同距離的位置進(jìn)行位移及應(yīng)力的跟蹤監(jiān)測(cè)，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析頂板位移場(chǎng)確定所有煤開采后最終的裂隙區(qū)發(fā)育程度。根據(jù)白羊嶺礦區(qū)具體地質(zhì)資料，建立由23層煤巖層組成的數(shù)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?shù)目迓?，開挖至20m時(shí)直接頂部分垮落，垮落高度達(dá)到2m，范圍超過工作面長(zhǎng)度一半，此時(shí)發(fā)生直接頂?shù)某醮慰迓洌醮慰迓洳骄嗍?0m，隨著工作面從開切眼除向前推進(jìn)，直接頂懸露面積當(dāng)達(dá)到其極限垮落步距時(shí)就會(huì)開始垮落，開挖到30m時(shí)，直接頂懸露面積增大，達(dá)到其極限垮落步距時(shí)就會(huì)開始垮落，基本頂開始裂隙發(fā)育，巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)，此時(shí)發(fā)生初次來壓，初次來壓步距是30m，繼續(xù)推進(jìn)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(dá)到整個(gè)直接頂厚度，基本頂產(chǎn)生大量裂隙，頂板出現(xiàn)臺(tái)階下沉和延煤壁切落，底板下沉量變大，此時(shí)發(fā)生周期來壓，周期來壓步距是50m，垮落高度達(dá)到整個(gè)直接頂厚度，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂?shù)膽衣睹娣e越來越大，開挖到60m基本頂發(fā)生大面積斷裂，產(chǎn)生破斷，此時(shí)將發(fā)生老頂?shù)某醮蝸韷?，繼續(xù)開挖會(huì)使裂隙向上覆巖層不斷擴(kuò)展，下部垮落巖石會(huì)被逐漸被壓實(shí)，開挖至80m時(shí)開始產(chǎn)生離層，關(guān)鍵層發(fā)生破斷，90m關(guān)鍵層裂隙不斷發(fā)育，破斷加深，開挖至110m產(chǎn)生老頂?shù)闹芷趤韷海藭r(shí)裂隙最大發(fā)育，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，巖層裂隙不斷發(fā)育，同時(shí)伴隨著巖層裂隙逐漸被壓實(shí)，產(chǎn)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(shí)，開挖到200m時(shí)，工作面開挖結(jié)束，此時(shí)直接頂基本全部垮落，基本頂裂隙大量發(fā)育，上覆巖層產(chǎn)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(shí)，屬于垮落帶，數(shù)值計(jì)算得垮落帶高度為12.17m。再往上的9個(gè)巖層均產(chǎn)生不同程度裂隙，巖層排列整齊，屬于裂隙帶。根據(jù)前述三帶高度計(jì)算結(jié)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(shù)值模擬結(jié)果? 采用3DEC針對(duì)工作面開采后采空區(qū)上方裂隙演化規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算分析，結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)資料，利用模型，沿煤層傾向做剖面，對(duì)采空區(qū)四周應(yīng)力分布隨工作面向前推進(jìn)距離的不同所呈現(xiàn)出的規(guī)律及變化特點(diǎn)進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)采動(dòng)造成的頂板煤巖體下沉規(guī)律進(jìn)行總結(jié)說明，對(duì)巖體冒落形態(tài)及裂隙帶分布特征進(jìn)行對(duì)比分析并加以總結(jié)。

運(yùn)用數(shù)值模擬，通過間接計(jì)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(shù)，結(jié)合兩帶高度計(jì)算，二者互為印證，結(jié)果較為準(zhǔn)確。綜上所述，裂隙區(qū)和壓實(shí)區(qū)所呈嵌套關(guān)系的外側(cè)梯形底角60°，內(nèi)側(cè)梯形底角49°，內(nèi)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(jié)合采空區(qū)上覆巖瓦斯通道分區(qū)知，“對(duì)稱梯形”及周圍與其貫通的微觀裂隙構(gòu)成了瓦斯通道網(wǎng)絡(luò)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(dòng)性強(qiáng)、滲透性高，是瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域[3]。根據(jù)模擬計(jì)算可把高抽巷布置在距頂煤距離為36.37～72.63m的9號(hào)煤層與12號(hào)之間煤層賦存相對(duì)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(jìn)行施工為最優(yōu)方案。

3? 高抽巷抽采與上隅角瓦斯相關(guān)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?jīng)常超過1%，當(dāng)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(duì)上隅角瓦斯有了很好的牽制作用。從圖1的趨勢(shì)線可以看出，高抽巷抽采量和上隅角瓦斯?jié)舛瘸拭黠@的負(fù)相關(guān)系，加強(qiáng)高抽巷抽采可以有效降低上隅角和回風(fēng)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(chǎn)期間抽放鄰近層瓦斯，高抽巷標(biāo)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(jié)論

對(duì)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(chǎn)的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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