綜放面瓦斯抽采高抽巷布置參數優化分析

郭 洪

(陽煤集團和順新大地煤業有限公司，山西 晉中 032700)

0 引言

陽泉煤業集團和順新大地煤業有限公司開采8#、15#煤層，屬高瓦斯礦井。礦井開采隨著工作面的不斷延伸，井下煤層賦存條件將更趨復雜，礦井煤層瓦斯災害威脅將越來越大。煤層瓦斯災害已成為礦井安全生產的主要威脅。在開采過程中，應首先確定煤層開采的關鍵層，然后采用導水裂隙帶經驗公式等方法估計出高抽巷的位置，接著采用數值模擬等方法對巷道的穩定性進行分析，便可以確定高抽巷的理想層位，進而保障煤礦企業的安全生產。

1 工作面概況

15201綜放面是新大地煤礦二采區的首個工作面(如圖1所示)，為了防止采煤過程中瓦斯涌出量大而引發瓦斯安全問題和阻礙工作面高產高效開采現象的發生，根據陽煤集團老區礦井的經驗數據，在11#煤層布置走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯，以期減小工作面瓦斯涌出量。但是，新大地煤礦的覆巖結構條件與老區礦井15#煤層的上覆巖層結構存在差異，使得15#煤層的上覆鄰近層瓦斯的卸壓運移規律產生變化。因此，進行15201綜放面走向高抽巷布置參數優化研究，對工作面高抽巷布置具有指導意義。

2 走向高抽巷布置層位優化分析

陽煤集團15201綜放面位于井田二采區東部，工作面長度為180 m，標高為972～1 128 m，地表標高為1 300.8～1 493.6 m，埋藏深度為312～499 m，為東南高西北低的趨勢。工作面開采煤層為15#煤層，平均煤層厚度為5.43 m，煤層傾角為8°～12°。煤層為簡單結構煤層，硬度一般為2～3。15#煤層的直接頂以黑色泥巖、砂巖為主，厚度平均14.76 m，屬4類頂板；老頂為K2灰巖，平均厚度為5.76 m。底板為砂質泥巖、泥巖，平均厚度為12.99 m。15#煤層底板砂質泥巖抗壓強度為25.4 MPa，抗拉強度為1.75 MPa，抗剪強度為5.35 MPa。15#煤層頂板泥巖抗壓強度為12.4 MPa，抗拉強度為0.54 MPa，抗剪強度為1.55 MPa。

2.1 采動上覆瓦斯卸壓運移的“三帶”范圍

為有效找出合理的瓦斯抽采高抽巷的布置層位，需要找到煤層上覆巖層的關鍵層所在的層位。為了便于分析，根據15201工作面的鉆孔柱狀圖，利用中國礦業大學研發的KSPB軟件對工作面上覆巖層關鍵層進行了判別。經過KSPB軟件的計算，在工作面上方共有9層關鍵層。在找到煤層的關鍵層所在的層位以及得到了關鍵層的厚度后，可以確定煤層上覆巖層移動過程中產生的導水裂隙帶，就可以確定導氣裂隙帶的高度，從而為合理布置煤層瓦斯抽采高抽巷的布置提供參考。經過分析，當15201綜采工作面上覆巖層達到充分采動時，根據修正后的導水斷裂帶高度的經驗判別公式計算導氣裂隙帶，可得導氣裂隙帶預測高度為55.3 m；根據關鍵層判別卸壓解吸帶的方法，確定卸壓解吸帶的發育止于主關鍵層，即卸壓解吸帶的高度為279.44 m。按照走向高抽巷的布置原則，15201工作面的走向高抽巷應布置在15#煤層頂板55.3 m以下范圍的上覆巖層內。導水斷裂帶高度[1]的經驗判別公式見表1，其中M表示煤層的開采厚度。

表1 導水斷裂帶高度的經驗判別公式

從表1中可以看出，導水裂隙帶的高度不僅與煤層的開采厚度有關，也與煤層上覆巖層的巖性有關，可以分為堅硬、中硬、軟弱以及極軟弱等4種情況。對于導水裂隙帶的計算有2種類型的計算公式，2種類型公式的計算形式存在一定的差異性。為了確保導水裂隙帶層位的合理性，下面采用數值模擬對高抽巷的穩定性進行分析。

2.2 走向高抽巷的采動變形破壞規律

由于在15201綜采工作面開采時，煤層的開采高度較大，達到了5.2 m，而且煤體的強度較低，煤體內的裂隙比較發育。在這種情況下，直接利用傳統的導水裂隙帶的高度來確定高抽巷的位置是十分不合理的，主要是由于工作面的煤層開采高度過大[2-3]。在這種情況下，根據15201綜采工作面生產地質條件，在給定支護參數條件下，總共設計計算方案共5個：6M-31.2 m；7M-36.4 m；8M-41.6 m；9M-46.8 m；10M-52 m。不同方案條件下高抽巷相對于煤層的綜合柱狀圖的位置，如圖2所示。為了能準確分析高抽巷的變形及破壞情況，采用了美國Itasca公司的UDEC軟件進行數值模擬，該軟件能形象地分析巷道在地應力作用下的變形以及破壞現象。圖2為不同方案條件下高抽巷位置圖。

圖2 不同方案條件下高抽巷位置圖

在巷道的變形破壞過程中，巷道的頂底板相對移近量是衡量頂板巷道變形破壞的重要指標。利用UDEC數值計算軟件可得出采動過程中不同層位處高抽巷頂底板平均移近量，當高抽巷位于8倍的采高時，整體下沉量較其他層位處小且巷道頂底板相對移近量僅為0.005 4 m，高抽巷位于9倍的采高時，巷道頂底板相對移近量僅為0.006 3 m且頂底板左右端相對移近量比較均勻。從巷道頂底板變形的角度分析，層位8倍的采高及9倍的采高是走向高抽巷布置的理想層位。兩幫變形量也是巷道變形破壞的主要指標[4]。利用UDEC數值計算軟件可得出采動過程中不同層位處高抽巷兩幫圍巖平均移近量，高抽巷位于9倍的采高時，巷道兩幫板相對移近量僅為0.007 6 m，高抽巷位于10倍的采高時，巷道兩幫板相對移近量僅為0.006 2 m。因此，從巷道兩幫變形的角度分析，層位9倍的采高及10倍的采高是走向高抽巷布置的理想層位。

根據15201工作面的采動上覆瓦斯卸壓運移的“三帶”范圍和走向高抽巷的采動變形破壞規律以及走向高抽巷的布置原則[5]，可知導氣裂隙帶預測高度為55.3 m，走向高抽巷應布置在15#煤層頂板55.3 m以下范圍的上覆巖層內。同時，由于位于9倍采高處的走向高抽巷的巷道頂底板移近量及兩幫移近量都較小，巷道斷面完整性較好，工作面走向高抽巷的合理布置層位應為9倍采高處，即工作面頂板46.8 m處的上覆巖層內。采動過程中，不同層位高抽巷的變形破壞情況，如圖3所示。

a-高抽巷位于6M層位；b-高抽巷位于7M層位；c-高抽巷位于8M層位 d-高抽巷位于9M層位；e-高抽巷位于10M層位圖3 不同條件下高抽巷變形破壞情況

圖3為高抽巷布置在不同層位條件下的巷道變形破壞情況。由圖3可知，在6倍采高(圖3(a))時，高抽巷的完整性最好，但是在6倍采高時巷道靠近13#煤層，巷道的瓦斯涌出嚴重，不利于巷道的開挖和掘進；在7倍采高(圖3(b))時，巷道的頂板下沉嚴重，而且出現了底臌現象，不利于巷道的正常使用，需要消耗大量的財力用于巷道的維護；在8倍采高(圖3(c))時，巷道的兩幫和底板出現了嚴重的破壞；對于在9或10倍采高(圖3(d)～圖3(e))時，高抽巷的頂底板及兩幫都比較完整，這對于瓦斯的長期抽采是十分有利的[6-8]。在新大地礦15201工作面地質條件下，高抽巷在位于9倍采高處時，巷道頂底板移近量及兩幫移近量都較小，巷道斷面完整性較好且易于維護，有利于鄰近層瓦斯抽采。

3 結語

根據15201綜采工作面的地質參數，首先確定了煤層開采過程中的關鍵層，然后采用導水裂隙帶經驗公式粗略地確定高抽巷的位置，最后采用UDEC軟件進行數值模擬，對巷道的穩定性進行了分析，確定了高抽巷的理想層位。研究結果表明，在走向高抽巷位于工作面9倍采高時，巷道頂底板移近量及兩幫移近量都較小，巷道斷面完整性較好。新大地礦工作面走向高抽巷的合理布置層位應為9倍采高處，即工作面頂板46.8 m處的上覆巖層內。該方法可以為類似生產條件的礦井高抽巷布置提供一定的借鑒作用。