黃巖匯煤礦高抽巷的最佳位置選擇

武 磊，毛桃良，戴廣龍，張樹川，尹 海

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.國投昔陽能源有限責任公司黃巖匯煤礦,山西 昔陽 045300)

隨著礦井開采機械化水平的提高，采煤采面單產水平大幅度提高，且現代礦井向深部延伸，特別是厚煤層的開采，采煤工作面瓦斯涌出量增加，造成重大不安全隱患。在采煤工作面瓦斯涌出量中鄰近層瓦斯占80％以上，治理鄰近層瓦斯是解決工作面瓦斯超限的關鍵。高抽巷抽采瓦斯是積極防治鄰近層瓦斯災害的重要措施，1992年在陽泉礦務局15#煤層首次使用走向高抽巷，抽放率高達95％[1]，以及淮南礦務局等都成功地對該方法進行試驗和應用,治理采煤工作面瓦斯效果明顯。黃巖匯煤礦15109工作面頂板以砂巖和砂質泥巖為主，由礦地質鉆孔資料得知：15#煤層頂板上覆巖層有13#、12#、11#、9#薄煤層以及K2、K3、K4灰巖，煤巖層內含有大量的瓦斯，為解決工作面瓦斯涌出量大的難題，黃巖匯煤礦首次通過高抽巷抽采技術在該礦15109工作面的試驗和應用，取得了非常好的效果，為工作面安全生產提供保障，并產生了顯著的經濟和社會效益。

1 工作面概況

15109工作面東部為15107預留工作面，西部為尚未開采煤層。工作面走向長約1740m，工作面傾向200m，煤層厚度4.25～6.4m，平均厚度為5m，煤層結構較簡單，煤層傾角4°～20°之間。工作面采用走向長壁、后退式綜采放頂煤采煤方法，全部垮落控制頂板，15#煤層瓦斯含量為9.14m3/min，煤層頂板上覆煤巖層有K2、K3和K4灰巖及13#、12#、11#、9#等煤層，賦存著大量的瓦斯。

2 高抽巷位置的選擇

2.1 瓦斯抽采設計原理

煤層開采后，暴露出來的上覆巖層在礦山壓力的作用下，將產生變形、移動和破壞。根據破壞狀態不同，可將上覆巖層采動裂隙劃分為“豎三帶”和“橫三帶”。即在采動區自下向上分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶；沿工作面推進方向及傾斜方向分為煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區，從而在采空區四周形成一個連通的采動裂隙發育的“O”型圈[2]?！癘”型圈是解析瓦斯的貯存空間和流動通道，根據瓦斯的運移規律，在“豎三帶”中的裂隙帶內掘進高抽巷，從采動影響的頂板巖層中涌出的大量瓦斯還來不及涌向回采空間而被高抽巷抽走，不至于使回采空間瓦斯濃度超限[3]。

2.2 位置的設計依據

高抽巷的布置是否合理，是瓦斯抽放效果好壞的關鍵。它所處的位置與距回風巷的水平距離和煤層頂板垂距有關。如果高抽巷與回風巷水平距離過大，高抽巷未處于高濃度瓦斯區域；如果高抽巷與煤層頂板垂距過小，高抽巷處于冒落帶內，可能使高抽巷與采空區直接連通，抽不到高濃度瓦斯。如果高抽巷與煤層頂板垂距過大時，高抽巷處于彎曲下沉帶，巖層保持其原有的完整性，透氣性差，抽不出瓦斯。只有將高抽巷布置在裂隙帶內，方可取得良好的效果。受采動影響，高抽巷易發生變形破壞，產生漏氣，必須保證高抽巷嚴密不漏氣[4-6]。

數值模擬。采用UDEC 4.0軟件對15#煤層及上覆巖層的垂直位移進行模擬，建立計算模型長度為500m，高度為300m， 開挖前模擬至應力平衡，當工作面推進200m，在充分加載至應力平衡，此時采空區頂板完全垮落，通過在采空區中部煤層頂板向上布置測點，從垂直位移變化來確定兩帶的高度，模型的力學參數如表1、表2所示，模擬的結果見圖1。

表1 模擬的煤巖層力學參數

表2 模擬的煤巖層節理面力學參數

圖1 工作面推進200m各測點的垂直位移

由圖1可知，煤層頂板高度為30m，在30～46m，各測點的下沉量比較大，都在1.5m以上，說明已經垮落，高度46m以上梯度明顯變小，說明不在垮落，在90m處下沉量為0.5m，而高度90m后下沉量基本不在發生變化，說明在90m處為裂隙帶和彎曲下沉帶的分界點，即冒落帶的高度距煤層為46m-30m=16m，裂隙帶的最大高度為90m-30m=60m，其范圍為16～60m。

理論分析。根據采煤方法、覆巖巖性以及煤層頂板管理方法等綜合條件選擇兩帶“兩帶”計算公式。

黃巖匯煤礦煤層頂板為中硬巖層或其互層，冒落帶最大高度(Hc)的統計經驗公式[7]如下(中硬，20MPa～40MPa，砂巖、泥質灰巖、砂質頁巖、頁巖)：

裂隙帶最大高度(Hf)的統計經驗公式[7-8]如下(中硬，20MPa～40MPa，砂巖、泥質灰巖、砂質頁巖、頁巖)：

式中：m為最大可采厚度，m；Hc為冒落帶最大高度，m；Hf為裂隙帶最大高度，m。

根據以上兩種方法分析，工作面上方冒落帶的最大高度約15m，裂隙帶的高度范圍約為15～60m。

施工時，根據回風巷移動卸壓角和通風負壓的影響，布置高抽巷與工作面軌順水平距離為50m，從回風下山沿一定坡度施工至裂隙帶，在高抽巷迎頭向切眼施工直徑為800mm的鉆孔并與切眼貫通，作為初采老頂初次來壓工作面瓦斯治理措施。高抽巷布置如圖2所示。

圖2 高抽巷平面布置示意圖

3 高抽巷實際抽采瓦斯效果分析

工作面高抽巷抽采瓦斯試驗效果考察期間，分別對高抽巷的抽采瓦斯濃度、抽采量以及工作面回風流瓦斯濃度、風排瓦斯量等參數進行了實測。

3.1 瓦斯抽采量考察

根據統計數據，高抽巷抽采瓦斯濃度、混合量、純量與工作面推進關系如圖3所示。

圖3 高抽巷抽采瓦斯濃度、混合量、純量與工作面推進關系圖

從圖3可以看出，當工作面過高抽巷端頭19m以前，高抽巷抽采的瓦斯濃度、混合量和抽采量都低，隨后逐漸增加。說明在工作面在推過高抽巷19m左右時，老頂初次來壓，頂板跨落，鄰近層瓦斯開始涌出；當工作面過高抽巷端頭30～497m之間，高抽巷抽采的瓦斯濃度30.85％～45.13％，平均約39％，抽采負壓22～27kPa，平均24kPa，混合量為121.5～151.5m3/min，平均136.5m3/min，抽采純量42～65.04m3/min，平均55m3/min。說明隨著工作面進一步推進，在裂隙帶內形成大量的裂隙，大量解析的瓦斯被高抽巷抽走。

15109工作面從2011年4月26日開始開采，到2011年9月10日，歷時138天，共抽采總混合量為24684480m3，總純量為9127008m3。

3.2 抽采瓦斯對回風流瓦斯的影響分析

根據統計數據，工作面風排瓦斯量、高抽巷抽采量、其它抽采量及工作面瓦斯總涌出量與工作面距離切眼位置關系如圖4所示。

圖4 工作面距切眼距離與各瓦斯量關系圖

從圖4可以看出：高抽巷的抽采效果明顯比風排瓦斯量和本煤層抽采量效果好。高抽巷抽采瓦斯量大，平均在55m3/min；風排瓦斯量平均為8m3/min；本煤層抽采瓦斯量約為3m3/min。按以上方法測算，鄰近層瓦斯抽采量平均為55 m3/min，本煤層瓦斯涌出量平均為11m3/min，本煤層瓦斯涌出量與鄰近層瓦斯涌出量比例為1∶5。高抽巷抽采瓦斯、風排瓦斯及本煤層抽采瓦斯量比例約為55∶8∶3，高抽巷抽采瓦斯占抽采量約為83％，抽采期間工作面回風流瓦斯濃度降到0.1％～0.5％，體現了高抽巷的良好抽采效果，對于解決工作面回風流瓦斯超限起著重要作用。

3.3 高抽巷垂距的變化對抽采瓦斯的影響分析

根據統計數據，高抽巷抽采量、抽采濃度與高抽巷垂距關系如圖5所示。

圖5 高抽巷垂距與抽采量關系圖

從圖5可以看到，高抽巷和工作面的垂距與抽采效果關系為：隨著垂距的增高，瓦斯抽采純量、抽采濃度也逐漸增大。在抽采負壓的作用下，高抽巷垂距在50～55m時，抽采效果最好，抽采量平均約60m3/min，抽采濃度平均約42％，并且抽采濃度穩定在35％以上。其原因主要是隨著工作面推進，在礦山壓力的作用下，頂板冒落高度加大，上覆巖層開始發生變形和破壞，巖層裂隙逐漸向上發育，由于瓦斯密度小，具有上浮的特點，瓦斯則沿著裂隙向上運移。因此高抽巷合理的垂距，具有抽采量高，抽采濃度大，抽采穩定等優點。

4 結論

1) 高抽巷抽采瓦斯、風排瓦斯及本煤層抽采瓦斯的抽采瓦斯量比例約為55∶8∶3，高抽巷抽采瓦斯量約占抽采量的83％，高抽巷抽采鄰近層瓦斯解決了綜采工作面上隅角瓦斯大的難題，且工作面回風流瓦斯濃度在0.1％～0.5％之間，取得了令人滿意的效果，有利于安全生產，實現礦井高產高效。

2) 通過理論分析和數值模擬以及在工作面回采期間對數據的觀測、高抽巷距15#煤層頂板最佳垂距在50～55m時，抽采量大，抽采效果好，能抽到大量高濃度瓦斯。

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