高瓦斯礦井綜采工作面低抽巷布置及抽采效果分析

李大冬,李德慧

(1.華陽一礦通風工區，山西 陽泉 045000；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012)

瓦斯災害是制約煤礦安全高效生產的關鍵因素之一,綜采工作面回采中受采動影響，上覆圍巖發生變形破壞,產生的覆巖裂隙成為卸壓瓦斯運移、富集的通道，綜采工作面回采中上隅角由于風流速度慢,本煤層、鄰近層和采空區瓦斯在上隅角易形成積聚,造成上隅角瓦斯超限[1],制約礦井安全高效生產。當前隨著我國煤礦開采深度逐年增加，礦井回采工作面機械化程度提高，噸煤日產量越來越大，導致回采工作面瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯治理困難[2-3]。

當前高抽巷、高位鉆孔、頂板走向長鉆孔、低抽巷、上隅角埋管及Y型通風等方法是上隅角瓦斯治理的主要手段[4]。

陽泉礦區和潞安礦區針對高瓦斯礦井綜采工作面放頂煤開采過程中的瓦斯治理難題，專門開展了高位抽采巷和低位抽采巷的相關研究及應用。應用發現，高位抽采巷對采空區深部瓦斯治理能力高，但對上隅角瓦斯治理能力有限，而低位抽采巷對工作面回采期間上隅角及回風巷瓦斯治理效果好，有效控制上隅角及回風巷瓦斯濃度。針對高瓦斯突出礦井，工作面回采過程中利用低抽巷治理上隅角瓦斯積聚問題,可實現降低上隅角瓦斯濃度的目的。國內眾多學者對綜采工作面低抽巷瓦斯治理理論和技術應用進行了大量研究,范小龍[5]基于低抽巷瓦斯抽采原理，通過理論分析研究了低抽巷的布置及應用；馬強等[6]通過對低抽巷抽采機理分析，給出了低抽巷的設計原則，綜合理論計算、覆巖層位考察和頂板巖性分析的方法確定了王坡煤礦低抽巷垂向布置的層位；張夏彭等[7]以理論計算、udec數值模擬和工作面實際瓦斯抽采相結合的方法分析了低抽巷在工作面的空間布置范圍。

國內學者在低抽巷瓦斯抽采原理、理論分析、數值模擬和單一工作面瓦斯抽采方面進行了研究，但對于同一礦區不同工作面及同一工作面不同空間位置的低抽巷瓦斯抽采實踐研究較少。筆者以華陽一礦回采工作面的低抽巷作為研究對象，對低抽巷的空間位置選擇進行理論研究及生產效果分析，為高瓦斯礦井低抽巷在上隅角瓦斯抽采方面提供經驗借鑒。

1 研究區概況

華陽一礦位于沁水煤田北部，礦井東西走向長14.5 km，南北寬10 km，面積83.6 km2，是年核定生產能力750萬t的高瓦斯礦井。井田內斷層和褶皺構造的復雜程度均為Ⅱ類，陷落柱復雜程度為Ⅳ類，15號煤層全區可采，煤厚6.35～7.88 m，平均7.49 m.煤層傾角在1～13°，平均3°.81403工作面走向長1 345 m，傾斜長226 m，面積303 970 m2.工作面煤層賦存穩定，結構復雜，平均煤厚7.24 m.煤層傾角2～9°，平均4°.工作面共布置5條巷道:進風巷、回風巷、低位抽采巷、走向高抽巷、切割巷，工作面采用綜合機械化低位放頂煤一次采全高采煤工藝，見圖1.

圖1 81403工作面巷道布置及生產系統

2 低抽巷部署理論分析

2.1 低位抽采巷原理

工作面煤層回采后，逐漸形成巨大空洞，垂向上，工作面的上覆巖層自下而上會逐漸遭受變形破壞，經過一定程度的垂向運動變化后又趨于穩定。而水平方向上，隨著工作面的推進，地應力隨之變化并重新分布。這就是煤巖層的時空演化過程，最終會形成“豎三帶”和“橫三區”[8-10]，即:在采空區垂向上由下而上劃分形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶;沿工作面回采方向和傾斜方向劃分為煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區(如圖2所示)。

圖2 高、低抽巷布置及“三帶”分布示意

由于瓦斯的密度相對較低，隨著工作面的回采，形成采空區后，上覆巖層不斷變形破壞，煤層中不斷涌出的瓦斯上浮進入上覆巖層的“豎三帶”中，并匯聚。低抽巷瓦斯抽采基于受采動影響后瓦斯在上覆巖層“豎三帶”的垂向分布規律和運移集聚特征，將低抽巷布置在垮落帶和裂隙帶的交界處，對進入回風隅角內的瓦斯進行攔截、匯集抽采進低抽巷內，同時降低回風巷內的瓦斯，降低礦井內的風排瓦斯，提高礦井瓦斯利用率。

2.2 低抽巷空間布置選擇

低抽巷垂向上須考慮工作面回采中采動卸壓后煤巖體滲透性增加、上覆巖層垮落及瓦斯運移的相關性[11-12]，將低抽巷布置在垮落帶頂部,工作面回采后煤層頂底板因失去支撐卸壓，在上隅角積聚的本煤層、鄰近層和采空區瓦斯受低抽巷抽采負壓作用，被低抽巷將集聚的瓦斯抽出,達到有效降低工作面上隅角瓦斯的目的。

低抽巷空間布置參數的選擇與高抽巷相近，在保障巷道穩定性基礎上及時有效地抽采上隅角瓦斯，低抽巷垂向上應布置于垮落帶的頂部與裂隙帶之間。低抽巷與回風巷水平間距的確定需根據綜采工作面采高及通風系統的巷道布置情況綜合確定。

1) 垂向層位優選。華陽一礦15號煤層頂板巖性為黑色泥巖和深灰色石灰巖，屬中硬頂板(見圖3)。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》關于垮落帶和導水裂隙帶高度的經驗公式并結合華陽一礦15號煤層覆巖特性，垮落帶高度可按式(1)計算[13]：

圖3 81403工作面綜合柱狀圖

(1)

式中：H為垮落帶高度，m；∑M為累計采厚，取工作面平均厚度7.24 m.計算得：垮落帶最大高度范圍為11.45～15.85 m.

2) 水平間距選擇。綜采面回采中，根據采動覆巖瓦斯的運移特征，回風巷一側的瓦斯濃度高，低抽巷抽采的是上隅角瓦斯，故應布置在靠近回風巷一側以實現對上隅角區域瓦斯的有效覆蓋。綜合考慮工作面通風系統的巷道布置情況，華陽一礦高抽巷距回風巷的水平布置間距為15～20 m，為降低高抽巷與低抽巷間的干擾，保證低抽巷對回風隅角的負壓抽采作用，將低抽巷布置在靠近回風巷一側的垮落帶的最大高度范圍內，即：

L=H/tan(α+β)≤15 m

(2)

式中：L為頂板未卸壓區域與回風巷的水平間距，m；H為低抽巷距15號煤層頂板的垂高，取11.45～15.85 m；α為煤層傾角，取4°；β為卸壓角，取65°.

綜上計算得：頂板未卸壓區域與回風巷的水平間距L為4.40～6.08 m.即6.08

3 效果對比分析

以華陽一礦開采15號煤層的8304、81403、81303、81210等4個工作面為研究對象，分析推進速度2～3 m/d時的瓦斯抽采效果，通過對4個不同工作面回采時收集的低抽巷瓦斯濃度、低抽巷瓦斯純量和上隅角瓦斯濃度的數據整理(見圖4)，分析得出低抽巷距離15號煤層間距分別為7.73 m、11.54 m、14.08 m、16.92 m的變化過程中，低抽巷抽采的瓦斯濃度和純量均呈先增大后減小的變化趨勢，而工作面上隅角瓦斯濃度的變化相反，整體呈先減小后增大的變化趨勢。81403工作面較其他3個工作面的低抽巷布置抽采效果最好，驗證了理論計算的低抽巷最優布置范圍為12 m左右，81403工作面低抽巷瓦斯濃度為2.27%，低抽巷瓦斯純量為10.53 m3/min，上隅角瓦斯濃度為0.37%.

圖4 不同工作面低抽巷瓦斯抽采效果圖

在4個工作面回采時低抽巷瓦斯抽采參數分析基礎上，筆者對81403工作面的回風巷瓦斯濃度、回風巷瓦斯純量、低抽巷瓦斯濃度、低抽巷瓦斯純量及上隅角瓦斯濃度數據進行獨立分析(見圖5)，發現81403工作面回采過程中低抽巷距15號煤層間距分別為5.84 m、6.66 m、7.61 m、8.56 m、9.69 m、10.39 m、11.72 m、14.05 m、15.13 m、16.52 m的變化過程中，81403工作面低抽巷瓦斯濃度和純量基本呈先增大后降低的變化趨勢，而工作面上隅角瓦斯濃度的變化與低抽巷恰好相反，整體呈先減小后增大的變化趨勢。81403工作面回風巷瓦斯的濃度和純量整體表現為先降低后增大的變化趨勢，但在9～14 m的層位范圍出現了波動的情況，尤其是回風巷瓦斯的濃度。

圖5 81403工作面低抽巷瓦斯抽采效果圖

綜上81403工作面回采過程中低抽巷距15號煤間距為11～14 m時，各項抽采數據綜合比較最優，具體為低抽巷與15號煤間距為11.72 m時，回風巷瓦斯濃度為0.39%，回風巷瓦斯純量3.11 m3/min，低抽巷瓦斯濃度3.01%，低抽巷瓦斯純量14.03 m3/min，上隅角瓦斯濃度0.40%.

4 結 語

1) 理論計算結合工作面回采時低抽巷瓦斯抽采參數變化規律分析得出，華陽一礦工作面上“三帶”中垮落帶最大高度范圍為11.45～15.85 m.同時認為12 m左右為低抽巷垂向上的最佳部署層位，低抽巷布置在距回風巷水平距離10 m處。

2) 統計不同工作面的低抽巷瓦斯抽采參數，低抽巷在7.73 ～16.92 m范圍內的瓦斯抽采濃度和純量均呈先增大后減小的變化趨勢，而工作面上隅角瓦斯濃度的變化相反，整體呈先減小后增大的變化趨勢。

3) 81403工作面回采過程中，不同空間位置的低抽巷瓦斯抽采參數顯示低抽巷距15號煤間距在12 m時的各項抽采數據綜合比較最優，回風巷瓦斯濃度為0.39%，上隅角瓦斯濃度為0.40%，低抽巷是一種有效治理工作面上隅角的技術手段。