黄岩汇煤矿高抽巷的最佳位置选择

2012-01-09毛桃良戴广龙张树川

中国矿业 2012年10期

武磊，毛桃良，戴广龙，张树川，尹海

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；2.国投昔阳能源有限责任公司黄岩汇煤矿,山西昔阳 045300)

随着矿井开采机械化水平的提高，采煤采面单产水平大幅度提高，且现代矿井向深部延伸，特别是厚煤层的开采，采煤工作面瓦斯涌出量增加，造成重大不安全隐患。在采煤工作面瓦斯涌出量中邻近层瓦斯占80％以上，治理邻近层瓦斯是解决工作面瓦斯超限的关键。高抽巷抽采瓦斯是积极防治邻近层瓦斯灾害的重要措施，1992年在阳泉矿务局15#煤层首次使用走向高抽巷，抽放率高达95％[1]，以及淮南矿务局等都成功地对该方法进行试验和应用,治理采煤工作面瓦斯效果明显。黄岩汇煤矿15109工作面顶板以砂岩和砂质泥岩为主，由矿地质钻孔资料得知：15#煤层顶板上覆岩层有13#、12#、11#、9#薄煤层以及K2、K3、K4灰岩，煤岩层内含有大量的瓦斯，为解决工作面瓦斯涌出量大的难题，黄岩汇煤矿首次通过高抽巷抽采技术在该矿15109工作面的试验和应用，取得了非常好的效果，为工作面安全生产提供保障，并产生了显著的经济和社会效益。

1 工作面概况

15109工作面东部为15107预留工作面，西部为尚未开采煤层。工作面走向长约1740m，工作面倾向200m，煤层厚度4.25～6.4m，平均厚度为5m，煤层结构较简单，煤层倾角4°～20°之间。工作面采用走向长壁、后退式综采放顶煤采煤方法，全部垮落控制顶板，15#煤层瓦斯含量为9.14m3/min，煤层顶板上覆煤岩层有K2、K3和K4灰岩及13#、12#、11#、9#等煤层，赋存着大量的瓦斯。

2 高抽巷位置的选择

2.1 瓦斯抽采设计原理

煤层开采后，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。根据破坏状态不同，可将上覆岩层采动裂隙划分为“竖三带”和“横三带”。即在采动区自下向上分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带；沿工作面推进方向及倾斜方向分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，从而在采空区四周形成一个连通的采动裂隙发育的“O”型圈[2]。“O”型圈是解析瓦斯的贮存空间和流动通道，根据瓦斯的运移规律，在“竖三带”中的裂隙带内掘进高抽巷，从采动影响的顶板岩层中涌出的大量瓦斯还来不及涌向回采空间而被高抽巷抽走，不至于使回采空间瓦斯浓度超限[3]。

2.2 位置的设计依据

高抽巷的布置是否合理，是瓦斯抽放效果好坏的关键。它所处的位置与距回风巷的水平距离和煤层顶板垂距有关。如果高抽巷与回风巷水平距离过大，高抽巷未处于高浓度瓦斯区域；如果高抽巷与煤层顶板垂距过小，高抽巷处于冒落带内，可能使高抽巷与采空区直接连通，抽不到高浓度瓦斯。如果高抽巷与煤层顶板垂距过大时，高抽巷处于弯曲下沉带，岩层保持其原有的完整性，透气性差，抽不出瓦斯。只有将高抽巷布置在裂隙带内，方可取得良好的效果。受采动影响，高抽巷易发生变形破坏，产生漏气，必须保证高抽巷严密不漏气[4-6]。

数值模拟。采用UDEC 4.0软件对15#煤层及上覆岩层的垂直位移进行模拟，建立计算模型长度为500m，高度为300m，开挖前模拟至应力平衡，当工作面推进200m，在充分加载至应力平衡，此时采空区顶板完全垮落，通过在采空区中部煤层顶板向上布置测点，从垂直位移变化来确定两带的高度，模型的力学参数如表1、表2所示，模拟的结果见图1。

表1 模拟的煤岩层力学参数

表2 模拟的煤岩层节理面力学参数

图1 工作面推进200m各测点的垂直位移

由图1可知，煤层顶板高度为30m，在30～46m，各测点的下沉量比较大，都在1.5m以上，说明已经垮落，高度46m以上梯度明显变小，说明不在垮落，在90m处下沉量为0.5m，而高度90m后下沉量基本不在发生变化，说明在90m处为裂隙带和弯曲下沉带的分界点，即冒落带的高度距煤层为46m-30m=16m，裂隙带的最大高度为90m-30m=60m，其范围为16～60m。

理论分析。根据采煤方法、覆岩岩性以及煤层顶板管理方法等综合条件选择两带“两带”计算公式。

黄岩汇煤矿煤层顶板为中硬岩层或其互层，冒落带最大高度(Hc)的统计经验公式[7]如下(中硬，20MPa～40MPa，砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩)：

裂隙带最大高度(Hf)的统计经验公式[7-8]如下(中硬，20MPa～40MPa，砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩)：

式中：m为最大可采厚度，m；Hc为冒落带最大高度，m；Hf为裂隙带最大高度，m。

根据以上两种方法分析，工作面上方冒落带的最大高度约15m，裂隙带的高度范围约为15～60m。

施工时，根据回风巷移动卸压角和通风负压的影响，布置高抽巷与工作面轨顺水平距离为50m，从回风下山沿一定坡度施工至裂隙带，在高抽巷迎头向切眼施工直径为800mm的钻孔并与切眼贯通，作为初采老顶初次来压工作面瓦斯治理措施。高抽巷布置如图2所示。

图2 高抽巷平面布置示意图

3 高抽巷实际抽采瓦斯效果分析

工作面高抽巷抽采瓦斯试验效果考察期间，分别对高抽巷的抽采瓦斯浓度、抽采量以及工作面回风流瓦斯浓度、风排瓦斯量等参数进行了实测。

3.1 瓦斯抽采量考察

根据统计数据，高抽巷抽采瓦斯浓度、混合量、纯量与工作面推进关系如图3所示。

图3 高抽巷抽采瓦斯浓度、混合量、纯量与工作面推进关系图

从图3可以看出，当工作面过高抽巷端头19m以前，高抽巷抽采的瓦斯浓度、混合量和抽采量都低，随后逐渐增加。说明在工作面在推过高抽巷19m左右时，老顶初次来压，顶板跨落，邻近层瓦斯开始涌出；当工作面过高抽巷端头30～497m之间，高抽巷抽采的瓦斯浓度30.85％～45.13％，平均约39％，抽采负压22～27kPa，平均24kPa，混合量为121.5～151.5m3/min，平均136.5m3/min，抽采纯量42～65.04m3/min，平均55m3/min。说明随着工作面进一步推进，在裂隙带内形成大量的裂隙，大量解析的瓦斯被高抽巷抽走。

15109工作面从2011年4月26日开始开采，到2011年9月10日，历时138天，共抽采总混合量为24684480m3，总纯量为9127008m3。

3.2 抽采瓦斯对回风流瓦斯的影响分析

根据统计数据，工作面风排瓦斯量、高抽巷抽采量、其它抽采量及工作面瓦斯总涌出量与工作面距离切眼位置关系如图4所示。

图4 工作面距切眼距离与各瓦斯量关系图

从图4可以看出：高抽巷的抽采效果明显比风排瓦斯量和本煤层抽采量效果好。高抽巷抽采瓦斯量大，平均在55m3/min；风排瓦斯量平均为8m3/min；本煤层抽采瓦斯量约为3m3/min。按以上方法测算，邻近层瓦斯抽采量平均为55 m3/min，本煤层瓦斯涌出量平均为11m3/min，本煤层瓦斯涌出量与邻近层瓦斯涌出量比例为1∶5。高抽巷抽采瓦斯、风排瓦斯及本煤层抽采瓦斯量比例约为55∶8∶3，高抽巷抽采瓦斯占抽采量约为83％，抽采期间工作面回风流瓦斯浓度降到0.1％～0.5％，体现了高抽巷的良好抽采效果，对于解决工作面回风流瓦斯超限起着重要作用。

3.3 高抽巷垂距的变化对抽采瓦斯的影响分析

根据统计数据，高抽巷抽采量、抽采浓度与高抽巷垂距关系如图5所示。

图5 高抽巷垂距与抽采量关系图

从图5可以看到，高抽巷和工作面的垂距与抽采效果关系为：随着垂距的增高，瓦斯抽采纯量、抽采浓度也逐渐增大。在抽采负压的作用下，高抽巷垂距在50～55m时，抽采效果最好，抽采量平均约60m3/min，抽采浓度平均约42％，并且抽采浓度稳定在35％以上。其原因主要是随着工作面推进，在矿山压力的作用下，顶板冒落高度加大，上覆岩层开始发生变形和破坏，岩层裂隙逐渐向上发育，由于瓦斯密度小，具有上浮的特点，瓦斯则沿着裂隙向上运移。因此高抽巷合理的垂距，具有抽采量高，抽采浓度大，抽采稳定等优点。