賀西煤礦高抽巷布置優(yōu)化設計與應用分析

林艷東，閆志強

(1.汾西礦業(yè)集團 賀西煤礦， 山西 柳林 033000； 2.汾西礦業(yè)集團 通風處， 山西 介休 032000)

高抽巷布置在裂隙帶內(nèi)，頂板垮落后，鄰近層及圍巖內(nèi)的瓦斯平衡受到破壞，由鄰近層及圍巖解吸的瓦斯沿裂隙向采空區(qū)流動，通過高抽巷將瓦斯抽出，從而解決工作面上隅角及回采巷道瓦斯超限問題[1]. 高抽巷較頂板走向鉆孔能夠提高瓦斯抽采量，同時解決了頂板走向鉆孔在鉆場接替期間效果差的問題，抽采效果更加穩(wěn)定。較底抽巷抽采，高抽巷不用施工抽放鉆孔對煤層瓦斯進行預抽，而是直接抽采開采煤層中產(chǎn)生的瓦斯，準備期較短，時效性較好，成本較低[2].

高抽巷的層位選擇至關重要，將高抽巷布置在采空區(qū)裂隙帶內(nèi)才能起到預想抽采效果。通過對賀西煤礦高抽巷抽采參數(shù)進行研究，合理調(diào)整優(yōu)化高抽巷層位、平距，使抽采效果達到最優(yōu)化，以實現(xiàn)采空區(qū)和采動卸壓瓦斯高效抽采，保證回采工作面安全生產(chǎn)。

1 賀西煤礦概況及瓦斯抽采現(xiàn)狀

1.1 礦井概況

賀西煤礦為煤與瓦斯突出礦井，絕對瓦斯涌出量73.34 m3/min,相對瓦斯涌出量為14.09 m3/t，開采煤層自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，煤塵具有爆炸性。工作面采用綜合機械化采煤工藝，采煤方法采用走向長壁后退式，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

1.2 瓦斯治理現(xiàn)狀

賀西煤礦采用地面固定抽放泵站系統(tǒng)對礦井瓦斯進行抽采，共建有2個瓦斯抽放泵站：薛家?guī)X瓦斯抽放泵站和獨胡峁瓦斯抽放泵站?？傤~定抽采能力為2 620 m3/min，礦井實現(xiàn)了分區(qū)、分源抽采。薛家?guī)X瓦斯抽放泵站安裝2臺2BEC-72型水環(huán)真空泵、2臺2BEC-52型水環(huán)真空泵；獨胡峁瓦斯抽放泵站安裝2臺2BEC-80型水環(huán)真空泵，均為一臺運行，一臺備用。

礦井抽采方法為地面鉆井，區(qū)域預抽，高抽巷、底抽巷、本煤層、鄰近層、裂隙帶、采空區(qū)、上隅角抽采多形式全方位井上下綜合立體化抽采。

1.3 賀西煤礦高抽巷必要性

3314工作面位于賀西煤礦三采區(qū)3#煤層東翼中部，走向長2 076.5 m，傾向?qū)?70 m，開采山西組3#煤層，塊狀，無夾矸，玻璃光澤，屬半亮型煤；密度為1.39 kg/m3，傾角0°～6°，平均3°；煤厚1.2～1.95 m，平均厚度1.75 m，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，基本呈單斜構(gòu)造及次一級的褶皺構(gòu)造。3314工作面布置有3314運輸巷(出煤、進風)，3314材料巷(回風)，3314高抽巷。其中，3314運輸巷斷面為11.18 m2，3314材料巷斷面為10.4 m2，3314切眼斷面為13.92 m2.

3314工作面3#煤層原始瓦斯含量為6.01 m3/t，經(jīng)計算，該煤層瓦斯儲量為579.03萬m3. 工作面采用本煤層瓦斯抽采鉆孔對工作面煤層瓦斯進行抽采，2015年1月—2017年10月共抽采瓦斯317.6萬m3，工作面瓦斯抽采率為54.85%.

相鄰3312工作面回采期間，采取本煤層抽放和采空區(qū)抽放等措施后，仍然會出現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛冗^高甚至瓦斯超限狀態(tài)，影響正常生產(chǎn)，采用本煤層和高抽巷抽采，上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%. 3314工作面回采期間，預測最大絕對瓦斯涌出量26.05 m3/min，最大相對涌出量為15.63 m3/t. 根據(jù)相鄰3312工作面回采期間的上隅角瓦斯?jié)舛葴y定情況，預計3314工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛茸畲髸^0.7%，依然面臨回采期間上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，需要再增加工作面瓦斯抽放能力，降低回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛?。鑒于此，決定在3314材料巷施工一條高抽巷，以降低3314工作面回采期間回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛?，防止上隅角瓦斯超限事故發(fā)生，保證3314工作面安全高效回采。

2 賀西煤礦高抽巷布置方案

2.1 3314高抽巷層位選擇

工作面推進后采空區(qū)頂板冒落在豎直方向上形成三帶，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。裂隙帶位于冒落帶上方，此帶內(nèi)巖層受到冒落帶巖塊的支撐作用，會形成較多的裂隙，采空區(qū)瓦斯將會沿著裂隙運移、富集。此帶內(nèi)瓦斯含量大、濃度高，應將高抽巷布置在此帶內(nèi)。

中硬巖性煤層綜采垮落帶高度計算公式：

(1)

式中：

Hm—綜采垮落帶高度，m；

M—煤層厚度，m，取1.75.

計算得，頂板垮落帶高度為14.68～19.68 m，平均為17.18 m.

中硬巖煤層導水裂隙帶高度計算公式：

(2)

式中：

Hli—導水裂隙帶高度，m；

M—煤層厚度，m.

計算得，裂隙帶高度為32.94～50.52 m，平均為41.73 m.

根據(jù)2009年12月太原理工大學與賀西煤礦合作開展的《煤層瓦斯參數(shù)測定、本煤層和裂隙帶瓦斯抽放工藝的優(yōu)化課題研究報告》中的主要結(jié)論：裂隙帶高度確定為采高的8～12倍，結(jié)合煤層綜合柱狀圖，頂板巖層及含水層情況，綜合分析確定3314工作面高抽巷層位選擇在距3#煤層頂板20～25 m處，正好處在裂隙帶內(nèi)。

2.2 3314高抽巷設計方案

3314高抽巷在三采區(qū)3#軌道巷開口，穿越3#煤層至砂巖或泥巖中,距3#煤層頂板20～25 m處掘進。3314高抽巷導通回風系統(tǒng)后，施工3314高抽巷，從溜煤眼開始沿方位角121°掘進2 113 m. 先以8°上山掘進約120 m后，沿頂板穩(wěn)定層位掘進(始終保持3314高抽巷底板距3#煤層頂板20～25 m，3314高抽巷右?guī)团c3314材料巷左幫水平距離15 m). 剩余掘進距離200 m時，以5°下山掘進，保證高抽巷層位距3#煤頂板層間距控制在10～15 m. 3314高抽巷停掘位置超出3314材巷切眼5～10 m，3314高抽巷底板在停掘位置處與3#煤頂板層間距控制在8～10 m.

考慮巷道圍巖性質(zhì)、服務年限及用途，3314高抽巷設計為矩形斷面，掘?qū)?.5 m，掘高2.1 m，頂板采用錨網(wǎng)支護，頂錨桿采用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間距1 100 mm，排距900 mm，每排支護3根，配套使用d14-60-2400-3的鋼筋圈梁壓鋼筋網(wǎng)支護[3]. 3314高抽巷保持距3#煤頂板20～25 m層位中掘進，平、剖面圖見圖1.

圖1 3314高抽巷平、剖面圖

為防止3314工作面在初采期間采空區(qū)與高抽巷無法裂隙導通，在3314切眼向3314高抽巷施工10個導通鉆孔，以此解決初采期間采空區(qū)及上隅角、回風流瓦斯瞬間大量涌出的問題。

依據(jù)地質(zhì)資料及《3314高抽巷作業(yè)規(guī)程》，3314高抽巷寬2.5 m，高2.1 m. 3314高抽巷與3314切眼處3#煤層頂板間的層間距為15 m，3314高抽巷導通孔在3314切眼內(nèi)施工，距離3314切眼G1#測點17.4 m. 鉆孔分兩排布置，第一排導通高抽巷距底板1 m位置，第二排導通距底板2 m位置。鉆孔施工由切眼向工作面實體煤回采方向進行。3314高抽巷導通鉆孔布置圖見圖2.

圖2 3314高抽巷導通鉆孔布置圖

2.3 3314高抽巷掘進安全注意事項

3314高抽巷施工過程中，需要隨時掌握層位關系，而層位的控制是一個難點，主要通過以下幾點進行控制：1) 根據(jù)3313、3312 高抽巷施工情況推斷3314 高抽巷施工坡度。2) 通過標高對比，腰線輔助控制，嚴禁出現(xiàn)急上山或者急下山等。3) 通過揭露的巖層性質(zhì)及煤線情況，推斷層間距的厚度。

3314高抽巷掘進過程中，應注意以下事項：1) 3314高抽巷在巷道交叉點、貫通點處要注意頂?shù)装迩闆r，加強頂板支護。2) 高抽巷在掘進過程中遇到斷層落差時，應及時采取措施。

2.4 3314高抽巷密閉及鋪設抽采管路

在3314高抽巷巷道口構(gòu)筑有兩道密閉墻，墻體厚度0.8 m，采用料石砌筑，兩道密閉墻間充填有1 m厚的黃土。密閉墻四周掏槽，并使幫、頂接實，墻面抹嚴不漏風。在密閉墻上埋設d450 mm的螺旋焊管，埋設高度大于密閉墻高度的2/3，依次安設了隔爆抑爆裝置、孔板流量計、在線監(jiān)測裝置、蝶閥，并與回風巷內(nèi)的d800 mm抽采管對接，作為3314高抽巷瓦斯抽采支管。高抽巷密閉墻埋管用于抽放裂隙帶瓦斯，同時抽采3314采煤工作面回采時采空區(qū)及上隅角瓦斯。

3 高抽巷效果分析

根據(jù)初采期間抽采參數(shù)與推進度及高抽巷層位關系分析，在3314工作面推進33.5 m后，瓦斯抽采濃度、純量逐漸增大，瓦斯?jié)舛扔?%升至2.1%，瓦斯純量由1.8 m3/min升至3.78 m3/min，判斷為工作面與高抽巷導通，此時高抽巷層位為16.8 m. 3314工作面推進度與高抽巷抽采關系見圖3.

圖3 3314工作面推進度與高抽巷抽采關系圖

導通后隨著工作面推進，瓦斯抽采濃度、純量逐漸平穩(wěn)，瓦斯?jié)舛仍?.1%～3.4%,瓦斯純量在3.78～6.05 m3/min，平均每日瓦斯抽采量為6 820 m3/min，當時高抽巷層位為23.7 m.

高抽巷推進至192.7 m處，瓦斯?jié)舛扔?.4%升至4%，瓦斯純量由6.05 m3/min升至7.31 m3/min，平均每日瓦斯抽采量為10 519.4 m3/min，此時高抽巷層位為31.4 m. 3314高抽巷推進至383 m，高抽巷層位為43.5 m，瓦斯?jié)舛戎饾u穩(wěn)定在4%～4.6%，瓦斯純量在7.31～8.75 m3/min，平均每日瓦斯抽采量為12 602 m3/min.

3314瓦斯抽采濃度與高抽巷層位成正比關系(21～38 m處)，瓦斯抽采濃度達到3%～4.6%，瓦斯抽采純量為6.05～7.83 m3/min，3314高抽巷開始回采至246 m處負壓在11.2～14.6 kPa，246～383 m處抽采負壓在11.08～12.58 kPa，基本處于穩(wěn)定。根據(jù)3314高抽巷抽采情況表(表1)可以看出，高抽巷層位越高，上隅角瓦斯越高。3314高抽巷層位與抽采量、抽采濃度關系見圖4.

表1 3314高抽巷抽采情況統(tǒng)計表

圖4 3314高抽巷層位與抽采量、抽采濃度關系圖

3314工作面利用高抽巷抽采技術，工作面初采期間瓦斯抽采量增加，抽放率達70%～80%，風排瓦斯量減小，瓦斯不再成為制約安全生產(chǎn)的隱患，實現(xiàn)了工作面的高產(chǎn)高效和安全生產(chǎn)。

3314工作面已安全回采，3314材料巷本煤層管路抽采量為4.75 m3/min，抽采濃度為2%，運輸巷本煤層管路抽采量為9.27 m3/min，抽采濃度為2%，3314高抽巷抽采量為150.18 m3/min，抽采濃度為6%，3314工作面風排瓦斯量為4.28 m3/min，工作面抽采率68.48%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.25%，工作面回風流瓦斯?jié)舛葹?.24%，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

賀西煤礦3314高抽巷層位選擇在距3#煤層頂板20～25 m處，水平投影距回風巷的平行距離要控制在15～20 m. 高抽巷在掘進過程中控制好層位，巷道最后100～200 m段要將層位下降至10～15 m，停掘位置超出切眼5～10 m，距切眼處層位控制在8～10 m，通過鉆孔導通，確保在工作面初采期間，采空區(qū)間與高抽巷裂隙導通，以解決初采期間采空區(qū)及上隅角、回風流瓦斯瞬間大量涌出的問題。通過優(yōu)化高抽巷布置參數(shù)，解決了回采期間采空區(qū)瓦斯超限問題，實現(xiàn)了回采工作面的安全回采。