保护层工作面抽放巷布置层位初探

闫云胜 郭金刚

(峰峰集团羊渠河矿,河北省邯郸市,056201)

1 问题的提出

羊渠河矿为煤与瓦斯突出矿井,主采2#煤层为突出煤层,4#煤层为非突出煤层,煤系地层柱状图见图1。为解决2#煤层的突出问题,羊渠河矿选择无突出危险的4#煤层作为保护层首先开采,以释放2#煤层的瓦斯,并在保护范围内对应开采2#煤层。4#煤层和2#煤层均为走向长壁布置。4#煤层在回采时采用一进两回的通风方式,其中一条刮板输送机巷作为进风巷,一条运输巷道、一条抽放巷作为回风巷。三条巷道均布置于4#煤层中,抽放巷与运料巷间留20 m煤柱,并在上一个工作面采空区留设3～5 m的防水隔离煤柱。此两项共25 m左右的煤柱作为设计损失在短时期内不能回收,而且由于4#煤层留有煤柱造成2#煤层在对应的区域内没有受到保护,在布置2#煤层工作面时受到很大的限制。

2 保护层开采后应力分布分析

图1 煤系地层柱状图

保护层开采后,由于周围岩层及煤层发生移动,引起岩层压力重新分布,采空区上方形成自然平衡拱,压力传递给采空区以外的岩层承受,对周围岩层和煤层产生采动影响,在上覆顶板岩层中形成三个受影响的地带:冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,在其底板也形成卸压带,如图2所示。在冒落带内的煤层,瓦斯完全释放到采空区内。裂隙带内的煤层发生弯曲、变形,形成采动裂隙,由于煤层卸压透气性显著增加。瓦斯在压差的作用下,大量流向开采煤层的采空区。

图2 煤层回采后顶底板围岩的变化示意图

保护层距开采煤层愈近,流向采空区的瓦斯量愈大。如果在这些煤层(或顶底板岩层)内开凿抽瓦斯的巷道,或者向煤层打抽瓦斯的钻孔,瓦斯就向两个方向流动:一是沿煤层流向钻孔或巷道;一是沿层间裂隙流向开采煤层的采空区。弯曲下沉带远离开采煤层,可以直达地表,呈平缓下沉状态,岩层的完整性未遭破坏,无采动裂隙与采空区相通,瓦斯一般不能流向采空区。

3 抽放巷位置的选择

保护层工作面回采后,上覆岩层会产生三带(即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带)。如果抽放巷布置过低,巷道位于采空区冒落带与裂隙带之间,由于巷道与大裂隙相通,会增加采空区的漏风,抽放的瓦斯流量很大但浓度很低,还会造成采空区煤炭自燃;如果巷道布置太高,巷道位于裂隙带和弯曲下沉带之间,由于沟通裂隙少,会造成瓦斯浓度高但流量小的后果,抽放效果也不好,只有将巷道布置在合理的位置,抽放效果才好。

开采保护层后顶板三带及瓦斯流动情况,如图3所示。

抽放卸压区瓦斯的原则:一是要充分利用层间裂隙缩短瓦斯流程,减小流动阻力,使瓦斯及时被抽出;二是防止瓦斯沿垂直裂隙流入采空区,起到拦截下泄瓦斯的作用。

根据峰峰集团公司开采保护层的经验,保护层层位的确定主要与开采层的间距有关,而该间距由保护层开采后引起的卸压范围所确定。保护层开采后引起的卸压范围主要与保护层的煤层厚度有关。保护层工作面采空区冒落高度为2～4倍的采高,采空区裂隙带高度为10～30倍的采高。

图3 工作面回采后顶板三带及瓦斯流动示意图

根据各煤层突出危险程度,峰峰集团各矿一般选择无突出危险的4#煤层作为保护层开采(大淑村矿4#煤煤层具有突出危险)。

4 抽放巷位置比较

根据保护层开采后应力分布状况、开采保护层后在矿井通风负压的影响下采空区瓦斯流动情况及羊渠河矿煤系地层赋存情况,抽放巷布置有以下几个方案。

4.1 抽放巷布置在无突出危险的4#煤层中

图4 抽放巷布置在无突出危险的4#煤层中

这种布置方法也就是目前普遍采用的布置方法,如图4所示。在4#煤层中布置刮板输送机巷、运料巷和抽放巷,抽放巷通过小石门与运料巷联系,抽放巷与运料巷之间留有20 m煤柱。但所留煤柱既会造成丢失煤炭又使被保护煤层留下未被保护区域。

4.2 抽放巷布置在距4#煤层7 m左右的3#煤层中

在4#煤层中布置刮板输送机巷和运料巷,相邻工作面留设3～5 m防水隔离煤柱;抽放巷布置在3#煤层中,通过小石门与运料巷联系,如图5所示。在4#煤层中没有煤柱,不丢失煤炭,预计提高4#煤层和2#煤层的煤炭回收率20%;在被保护煤层中也不存在未被保护区域,但是由于距离保护层比较近(间距仅7 m左右),容易引起巷道变形垮落,使得巷道损坏而失去作用,在巷道中布置抽采管路也会损坏不能回收,造成浪费。

4.3 抽放巷布置在2#煤层和4#煤层之间的白岔口砂岩中

这种布置方式已经在阳泉煤业集团使用多年。在4#煤层中布置刮板输送机和运料巷,相邻工作面留设3～5 m防水隔离煤柱;在4#煤层至2#煤层之间选择距离4#煤层24～25 m、距离2#煤层12 m左右的白岔口砂岩顶板,沿工作面走向垂直工作面开采线掘一条贯穿工作面全长、断面为5～6 m2的岩石巷道,使巷道始终处在工作面前方而不被破坏,服务于全工作面开采期间。在巷道中布置抽采钻孔,安装瓦斯抽采管路;将巷道口密闭,安装瓦斯抽放管对巷道和钻孔同时进行抽放。

这种布置方式使得抽采巷道位于保护层和被保护层之间,在矿井通风负压和管路瓦斯抽采负压的共同作用下,被保护层的卸压瓦斯绝大部分在未到达保护层之前即被截住,只有少量的进入保护层的采空区中,因而提高了抽采量和抽采率,而且在巷道中布置的抽采管路还可以回收重新使用,并杜绝了煤炭丢失和留下未保护区的隐患,主要缺点是全岩掘进施工比较困难,成本较高。

根据阳泉煤业集团的经验,这种方式瓦斯抽采量平均可达到60 m3/min以上,抽采邻近层涌出瓦斯可达90%以上。

图5 抽放巷布置在距4#煤层7 m左右的一座煤层中

4.4 抽放巷布置在2#煤层顶板的细粒砂岩中

这种布置方式与第三种布置方式类似,只是位置不同。它是将巷道布置在距离2#煤层顶板5 m左右的岩石中,以碳线砂岩为顶板,距离保护层4#煤层42 m左右。缺点除了具有第三种布置方式的缺点外,还有因抽采压力和矿井通风负压不一致而导致抽采效果差的缺点。

综合上述,各方案优缺点见表1。

表1 抽放巷布置方案比较

续表

5 抽放巷层位选择的原则

综上所述,抽放巷布置的层位有多种多样,抽放巷层位的选择有以下原则:

(1)要尽量减少并消除在被保护煤层中留有未保护区域;

(2)要有利于最大限度地卸放瓦斯,最大限度地释放被保护层内煤体中富含的瓦斯;

(3)要保证抽放巷在保护层工作面整个回采期间的完整,并发挥作用;

(4)要有利于抽放设施的回收,以重新复用,减少投入;

(5)要尽量减少煤炭的损失。

[1] 抚顺矿务局,阳泉矿务局,煤炭科学研究院抚顺研究所.煤矿抽放瓦斯手册[M].北京:煤炭工业出版社,1980

[2] 尚书海,赵军凯,付京斌.峰峰煤矿瓦斯煤尘防治技术[M].北京:煤炭工业出版社,2006

[3] 包剑影,苏燧,李贵贤.阳泉煤矿瓦斯治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,1996