王庄煤矿8110工作面高抽巷设计及效果分析

薛志兴

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

8110工作面位于王庄井田+540 m水平，东为水库禁采区，南为未采区域，西接540胶带大巷，北为未采区域，工作面标高+377～+522 m，所采煤层为3号煤层，煤层厚度稳定，平均厚度6.5 m，夹矸最厚一层为0.3 m，该工作面整体为一个由东向西倾斜的单斜构造，局部有起伏，煤层倾角为1～11°。工作面主要充水因素为3号煤层上部顶板含水层和K8、K10号砂岩含水层水，正常涌水量为25～30 m3/h，最大涌水量50 m3/h。工作面设计运巷长3 650 m，风巷长3 580 m，工作面长340 m，煤炭工业储量约1 120万t，可采储量1 060万t，回采率为95%。按照设计，8110工作面日产量为9 000 t，相对瓦斯涌出量均值为8.1 m3/t，计算可得绝对瓦斯涌出量为50.63 m3/min。根据NB/T 51003——2012 《采煤工作面瓦斯综合治理设计规范》对采用高抽巷要求，8110工作面瓦斯绝对涌出量Q>50 m3/min，所以应当采取高抽巷、上隅角埋管、顺层钻孔预抽等瓦斯综合治理措施[1]。

1 高抽巷瓦斯抽采机理

煤层采动后，采空区上覆岩层因原有应力平衡遭受破坏而形成“横三区”、“竖三带”，即沿工作面推进方向在水平层位上，覆岩层分为煤体支撑影响区、离层区以及重新压实区，垂直空间上覆岩由下至上分为垮落带、断裂带、弯曲下沉带。采空区上覆岩层的位移变形成为各种形式裂隙发育的重要原因，而裂隙带的存在为上覆岩层之间的瓦斯运移提供了通道，为瓦斯存储提供了空间条件，也为裂隙带抽放高浓度瓦斯创造了条件[2-4]。

如果在裂隙带内布置高抽巷，在煤壁支撑影响区，煤层解吸变成的游离瓦斯在较高瓦斯压力作用下将沿着垂直裂隙连续汇集到高抽巷内。离层区内出现的层间离层及水平方向岩石间的相互挤压铰合，成为瓦斯流入高抽巷的通道，同时一定程度上具有阻止采空区低浓度瓦斯流入的作用。在实际生产过程中，随着工作面向前推进，本煤层以及邻近层(围岩)瓦斯不断向裂隙带涌入。采空区冒落带上方、裂隙带下方、靠近回风巷一侧的离层带内是瓦斯富集区，也就是高抽巷布置的合理层位，如图1所示[4]。

2 8110工作面高抽巷设计

2.1 高抽巷高度及水平距离确定

在进行高抽巷层位选择时，应将其选择在瓦斯涌出密集区，且满足工作面回采后不会很快被破坏，因此高抽巷的适宜层位应选择在裂隙带中下部、冒落带上部[2-3]，其计算公式为：

Hz=Hm+△Hm

(1)

Hm

(2)

式中：Hz为高抽巷层位高度，m；Hm为冒落带高度，m；△Hm为防止高抽巷破坏安全高度，取1～1.5倍采高，m；Hl为裂隙带高度，m。

冒落带理论高度Hm采用公式(3)计算：

(3)

式中：h为采高，m；k为冒落岩石的平均碎胀系数；α为煤层平均倾角，(°)。

裂隙带理论高度采用式(4)计算：

(4)

式中：a、b、c为待定常数，依据煤矿设计规范确定，8110工作面煤层上覆岩层以中硬岩层为主，则取值a=1.6，b=3.6，c=5.6。

王庄煤矿8110工作面采煤方法为一次采全高方法，因此其采高为6.5 m，其顶板岩石为细粒砂岩，所以碎胀系数为1.25，煤层平均倾角为6°。将相关系数带入公式(3)、(4)，得出冒落带高度为26.15 m，裂隙带顶部理论高度为40.8～52 m，则：8110工作面裂隙带高度为26.15～52 m。由于高抽巷应布置于裂隙带中下部、冒落带上部，防止高抽巷破坏安全高度△Hm为 6.5～9.75 m，因此王庄煤矿8110工作面高抽巷层位应在32.65～52 m之间，结合潞安矿区的实际情况，建议将高抽巷布置在35～45 m之间。

为了保证高抽巷处于充分卸压后的裂隙带范围内，同时考虑到工作面通风负压动力的影响，会造成场瓦斯向回风侧移动的趋势，高抽巷与回风巷水平投影距离L应当大于H/tgβ(H为高抽巷距煤层顶板距离，β为顶板岩石卸压角，73°)。经过计算，水平投影距离为9.98～15.90 m，同时考虑防止高抽巷破坏安全距离，建议将平距定为22 m。

2.2 高抽巷连通切眼及密闭

初次来压之前，煤层顶板不会垮落，一旦垮落，上下邻近层(围岩)以及本层大量瓦斯短时间内大量涌入工作面，容易造成工作面瓦斯超限，这时仅仅依靠通风难以立即稀释大量瓦斯，在此期间，高抽巷无法起到抽采瓦斯的作用。因此，为保证高抽巷在初次来压之前能够发挥作用，设定由高抽巷向切眼施工3排排间距为1 m(每排2个)、D94 mm的扇形钻孔，并与切眼贯通。瓦斯较空气比重小，切眼瓦斯会自动涌入煤层顶板裂隙，通过高抽巷抽出，从而使高抽巷在初次来压之前发挥作用。

施工结束后，8110工作面高抽巷内不得有任何杂物和导电体，在距巷道口45 m岩石顶板较稳定段施工两道密闭墙，密闭墙周边掏槽0.3～0.5 m，要见硬帮、硬底，中间充填水泥砂浆进行密闭，并对密闭外5 m范围内巷道及墙体喷浆加固以保证不漏气。

2.3 高抽巷最终设计

8110工作面高抽巷断面为3 m×2.8 m，采用全锚网支护，与8110工作面风巷垂直距离35～45 m，水平距离22 m，施工时建议先爬到层位36 m，然后爬坡到层位42 m处。高抽巷中密闭内预留两趟内径800 mm接抽管，高抽巷口到抽采泵抽采管路铺设要与预留管路管径相匹配，高抽巷瓦斯抽采泵装机能力不得小于1 000 m3/min。8110工作面采用“单U型+高抽巷”通风方式，工作面配风量为3 900 m3/min。

3 8110工作面高抽巷抽采效果分析

8110工作面采用“采前预抽+高抽巷+裂隙带预抽”瓦斯综合治理方式，截止2017年12月18日，共统计高抽巷抽采64 d，高抽巷抽采纯量在0.2～13.12 m3/min之间，高抽巷抽采浓度在0.2%～12%之间。其中抽采纯量在10 m3/min以上的共计5 d，占抽采总天数的7%，抽采纯量在4 m3/min以下的共计19 d，占抽采总天数的30%。

高抽巷抽采期间，工作面瓦斯涌出量均值为42.21 m3/min，瓦斯抽采量为19.17 m3/min，占瓦斯涌出量的45.5%。其中本煤层平均抽采纯量为7.08 m3/min，高抽巷平均抽采纯量5.70 m3/min，裂隙带平均抽采纯量6.39 m3/min；上隅角平均瓦斯浓度0.31%，最大浓度0.82%，回风流平均瓦斯浓度0.36%，最大浓度0.85%，见图2。

图2 8110工作面瓦斯涌出分布

4 结论与建议

高抽巷技术经济合理，成本投入较低，抽采方法安全可靠，采用高抽巷进行瓦斯抽采，高抽巷抽采均量可以占工作面瓦斯涌出量的14%。采用高抽巷、本煤层预抽采孔、裂隙孔等对工作面瓦斯进行综合治理，8110工作面瓦斯抽采量达到19.17 m3/min，占到瓦斯涌出总量的45.5%，极大降低了采煤工作面的瓦斯含量以及工作面的风排瓦斯压力，为工作面的安全开采提供了保证。

然而，8110工作面高抽巷仍有需要改进的地方：

1) 8110工作面高抽巷是在一定的抽采能力前提下，混合流量已经限制，目前还不能对高抽巷抽采效果进行定论，仍需对高抽巷所处层位、抽采泵能力、配套抽采管路管径等进行进一步监测和试验。

2) 高抽巷应当封闭严实，保证不漏气，施工时要做到封闭墙周边掏槽，见硬帮、硬底，并且要施工双层封闭，并注浆充填。