煤矿高抽巷层位布置优化研究

王庶文

摘要：根据采空区上覆岩层受采动动力场及瓦斯流动分布规律，对特定地质采矿条件下高抽巷的机理、方法和效果进行分析研究，并对高位抽巷层位进行模拟、实践总结，使采掘工程进入深部区域提供治理上隅角瓦斯提供依据。

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.

關键词：高抽巷;优化研究;瓦斯流动;抽采效果显著

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

中图分类号：TD712.62                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）21-0147-02

0  引言

瓦斯因素严重影响矿井的安全和高产高效。随着矿井逐步向深部水平延伸，瓦斯赋存逐步增大，瓦斯影响生产的现象占比较大。所以针对综采工作面矿山压力规律的研究，直接关系到上覆邻近层瓦斯抽放效果。目前工作面存在着“采前本煤层难抽，采中邻近层瓦斯涌出大”的特点。

1  高抽巷瓦斯抽放机理

1.1 上覆岩层三带分布机理  随着工作面向前推采，在工作面前后范围内将形成一个采动压力场，影响范围内在垂直方面上形成“三个带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。上覆岩层受采动压力场影响形成的裂隙带便成为了瓦斯流动主要场所和通道。通过高抽巷内负压抽采，加速了采空区和邻近层内瓦斯的流动，实现大量高浓度瓦斯稳定抽出。邻近层的瓦斯抽放率可达90%以上。

1.2 上覆岩层瓦斯流动、分布  工作面推采后，后方采空区成为应力释放区，邻近煤层、上覆岩层内的大量瓦斯在原始瓦斯压力的作用下，通过上覆岩层裂隙带大量涌入采空区。在工作面U型通风负压影响下使工作面上下端头产生压差，风流带动采空区内的瓦斯向低压端流动;瓦斯的密度为0.7163 kg/m3，是空气密度（1.29kg/m3）的0.554倍，空气浮力使瓦斯向上运动[1]。采空区的瓦斯沿工作面倾斜方向流动并经上隅角积聚、涌出。而且采空区内的瓦斯容易通过上隅角进入回风巷，引起回风巷风流中瓦斯浓度超限。

通过理论分析、井下实测相结合的研究方法，全面掌握煤层开采覆岩移动规律、裂隙分布特征及瓦斯运移富集规律。综合分析高抽巷最优布置层位，找准裂隙带“O”型圈范围，即能抽到大量高浓度瓦斯，为瓦斯发电提供稳定气源;同时也能达到消除上隅角瓦斯积聚、回风流瓦斯超限的目的。

2  三带数据模拟、层位设计

2.1 裂隙带高度计算  目前通过矿井多个一次采全高综采工作面，实测三带高度统计数据的搜集和研究，给出了综合机械化开采中硬或软弱覆岩条件下工作面“三带”高度预计公式[2]。

15号煤层直接顶板为泥岩或与砂质泥岩互层，局部夹粉砂岩，厚度为16.33～36.77m，平均厚23.40m，属半坚硬岩层。抗压强度25.6～83.3MPa，平均41.4MPa。根据下式中硬岩石跨落带高度计算公式：

中硬岩石导水裂隙带高度计算公式：

经计算，15号煤层跨落带和导水裂隙带高度见表1。

经计算15号煤层裂隙带高度取最大值，裂隙带高度为52.90m。

2.2 高抽巷层位选择  由于开采15号煤层时，邻近层瓦斯涌出来自上邻近层，故设计采用顶板高抽巷抽采上邻近层瓦斯。高抽巷是指在开采15号煤层的顶部上覆岩层处于采动形成的裂隙带内布置的专用抽采邻近层瓦斯巷道。高抽巷之所以必须布置在裂隙带内是根据15号煤层赋存特点，同时参考阳泉矿区矿井现场邻近层瓦斯治理经验，将高抽巷应布置在裂隙带范围内的中下部，裂隙带高度主要依据开采煤层顶板岩石坚硬程度和采高确定，一般为采高的10～12倍左右，垮落带高度同样根据开采煤层顶板岩石坚硬程度和采高确定，一般为采高的6～8倍。考虑到高位巷施工工程量尽可能小、施工进度尽可能快及工程投资合理等实际要求，设计巷道净高为3.0m，净宽为4.0m，断面积为12m2。高抽巷由辅助运输大巷向15号煤层顶板爬坡至距顶板45～50m后，沿工作面走向向切眼方掘进。

2.3 UDEC分析  ①模型建立。根据白羊岭煤矿顶底板基本情况沿工作面倾向建立三维3DEC数值模型，长360m，宽2m，高156m的含煤柱模型。根据现在地质资料，将数值模型简化为23个不同岩层。该模型本模型建立高度156m，顶部未至地表，在顶部边界施加等效载荷，等效载荷按照下式计算，距离地表290m，带入下式算得施加6.75Mpa的力。等效载荷计算公式：

模型具有6个自由面，除了顶部边界，其余5个边界均采用速度为0固定。岩体本构关系采用Mohr-Coulomb准则，忽略其配采方案，各煤层采用下行式回采方案。沿工作面倾向根据实际建立工作面，由此形成了360m×2m×156m的原始模型。在采用3DEC计算时，利用3DEC的hist命令语句对顶板不同高度、距煤柱不同距离的位置进行位移及应力的跟踪监测，由监测数据分析顶板位移场确定所有煤开采后最终的裂隙区发育程度。根据白羊岭矿区具体地质资料，建立由23层煤岩层组成的数值模型。

②采空区覆岩垮落及裂隙发育过程分析。工作面回采后，将直接引起直接顶的垮落，开挖至20m时直接顶部分垮落，垮落高度达到2m，范围超过工作面长度一半，此时发生直接顶的初次垮落，初次垮落步距是20m，随着工作面从开切眼除向前推进，直接顶悬露面积当达到其极限垮落步距时就会开始垮落，开挖到30m时，直接顶悬露面积增大，达到其极限垮落步距时就会开始垮落，基本顶开始裂隙发育，岩块发生回转失稳和滑落失稳，此时发生初次来压，初次来压步距是30m，继续推进老顶裂隙不断发育，继续开挖到50m直接顶基本发生大面积垮落，垮落高度达到整个直接顶厚度，基本顶产生大量裂隙，顶板出现台阶下沉和延煤壁切落，底板下沉量变大，此时发生周期来压，周期来压步距是50m，垮落高度达到整个直接顶厚度，随着工作面继续推进，基本顶的悬露面积越来越大，开挖到60m基本顶发生大面积断裂，产生破断，此时将发生老顶的初次来压，继续开挖会使裂隙向上覆岩层不断扩展，下部垮落岩石会被逐渐被压实，开挖至80m时开始产生离层，关键层发生破断，90m关键层裂隙不断发育，破断加深，开挖至110m产生老顶的周期来压，此时裂隙最大发育，随着工作面继续向前推进，岩层裂隙不断发育，同时伴随着岩层裂隙逐渐被压实，产生弯曲下沉，开挖至139m上覆岩层开始宏观肉眼可见下沉，随着工作面不断向前推采，上覆岩层逐渐下沉，下部垮落岩层逐渐被压实，开挖到200m时，工作面开挖结束，此时直接顶基本全部垮落，基本顶裂隙大量发育，上覆岩层产生明显下沉。

③采空区垮落及裂隙分布。工作面回采后上方顶板的粉砂岩发生不规则的垮落，并逐渐压实，属于垮落带，数值计算得垮落带高度为12.17m。再往上的9个岩层均产生不同程度裂隙，岩层排列整齐，属于裂隙带。根据前述三带高度计算结果和上述分析可判断72.63m是弯曲下沉带和裂隙带分界线，13.52m是垮落带和裂隙带的分界线。

2.4 数值模拟结果  采用3DEC针对工作面开采后采空区上方裂隙演化规律进行模拟计算分析，结合矿井实际地质资料，利用模型，沿煤层倾向做剖面，对采空区四周应力分布随工作面向前推进距离的不同所呈现出的规律及变化特点进行模拟，同时对采动造成的顶板煤岩体下沉规律进行总结说明，对岩体冒落形态及裂隙带分布特征进行对比分析并加以总结。

运用数值模拟，通过间接计算和垂直位移分析的方法，得到了裂隙区的重要几何参数，结合两带高度计算，二者互为印证，结果较为准确。综上所述，裂隙区和压实区所呈嵌套关系的外侧梯形底角60°，内侧梯形底角49°，内外两梯形之间的宽度约为8.4m，冒落带高度为13.52m，裂隙区高度为72.63m。

结合采空区上覆岩瓦斯通道分区知，“对称梯形”及周围与其贯通的微观裂隙构成了瓦斯通道网络区，即“O”形圈成为采空区瓦斯聚集带。该区域裂隙大、瓦斯富集，流动性强、渗透性高，是瓦斯抽采的重点区域[3]。根据模拟计算可把高抽巷布置在距顶煤距离为36.37～72.63m的9号煤层与12号之间煤层赋存相对比较稳定，高位抽巷布置在距顶煤45～50m之间的11#煤上部砂岩为顶板进行施工为最优方案。

3  高抽巷抽采与上隅角瓦斯相关性分析

15110工作面高抽巷初次来压开始抽采前，上隅角瓦斯浓度经常超过1%，当高抽巷起效之后，上隅角瓦斯浓度逐渐降低到0.5%左右，对上隅角瓦斯有了很好的牵制作用。从图1的趋势线可以看出，高抽巷抽采量和上隅角瓦斯浓度呈明显的负相关系，加强高抽巷抽采可以有效降低上隅角和回风流瓦斯浓度。

4  高抽巷抽放邻近层瓦斯效果

通过分析日常15110工作面生产期间抽放邻近层瓦斯，高抽巷标况瓦斯抽采流量170～200m3/min、瓦斯浓度35～42%，抽放纯瓦斯量65～84m3/min，仅高抽巷抽采量占工作面总体瓦斯涌出量的90%以上，高抽巷抽采治理效果显著。

5  结论

对于高瓦斯矿井工作面，瓦斯来源主要来自上覆邻近层的，高抽巷是解决综采工作面上覆邻近层瓦斯的有效途径，特别是治理回采工作面上隅角瓦斯涌出较大的可行措施。阳泉矿区、平顶山和盘江等矿区开展了大量的高抽巷瓦斯抽放研究，保证了矿井煤炭生产的顺利进行。

参考文献：

[1]李青柏，李文洲.高抽巷布置优化设计及分析[J].煤矿开采，2010，15（5）：28-29.

[2]白羊岭煤矿矿井瓦斯抽放初步設计[D].山西国辰建设工程勘察设计有限公司，2009.

[3]乔鑫.余吾煤业地面钻井抽采采空区瓦斯的技术实践[J].煤炭技术，2015，34（10）：158-160.