基于能量场理论的高瓦斯综放面高抽巷合理布置层位研究*

黄志增

★ 煤炭科技·开拓与开采 ★

基于能量场理论的高瓦斯综放面高抽巷合理布置层位研究*

黄志增1,2

(1.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

为了确定高瓦斯综放工作面高抽巷的合理布置层位，分析了采场覆岩能量场、裂隙场及瓦斯流场的相关关系，认为三场之间具有空间上的一致性，据此提出了基于能量场理论计算高抽巷合理布置层位的方法，给出了计算潞安矿区高抽巷位置的理论计算表达式。通过现场应用实例验证表明，基于能量场理论计算确定的高抽巷合理布置层位与实测结果一致，说明该方法具有较好的现场适用性。

能量场理论 综放工作面 瓦斯高抽巷 布置层位

高抽巷是治理采空区瓦斯和邻近层瓦斯的一种抽采技术，能有效阻止裂隙带高浓度瓦斯进入采煤工作面，在我国高瓦斯矿区得到广泛应用。高抽巷的合理布置层位及抽放负压是影响高抽巷抽放瓦斯效果的关键技术参数，特别是布置层位的选择对于抽放效果具有决定性作用。

高抽巷层位一般采用三带理论分析确定，将高抽巷布置于冒落带上部、裂隙带中下部位置，得出的是一个指导布置的范围值，再通过工作面的实际应用进行修正。目前国内主要矿区的综放工作面都已实现高产高效，工作面开采强度大，如潞安矿区主采3#煤层，其工作面单产一般都在500万t以上，工作面推进速度快，因此在相对短的时间内，上覆岩层尚未形成典型的三带特征，通过三带理论指导高抽巷的布置具有一定的局限性。本文以潞安矿区高瓦斯综放面高抽巷布置为工程实例，探索指导高抽巷布置的适宜方法。

1 能量场、裂隙场、瓦斯流场的相关关系

煤矿的开采活动在采场覆岩中形成裂隙场，裂隙场内裂隙充分发育，为本煤层解析出的瓦斯提供了运移通道，形成了瓦斯流动的瓦斯流场，裂隙场和瓦斯流场在空间上有一定的统一性。而覆岩裂隙发育存在能量的交换与释放，将采场范围内受采动影响产生的能量事件的分布场称之为能量场。通过对开采过程中采场覆岩能量事件分布的分析，得到覆岩裂隙场、瓦斯流场与能量场的内在规律。

煤矿井下的采掘活动导致周围岩体的应力平衡状态被打破，使得应力重新分布，而部分岩体如果不能承受重新分布后的应力，超出其破坏极限，就会发生岩体破裂。经研究发现，岩石或岩体的破坏过程都伴随弹性波或应力波的释放和传播，产生声发射或微地震现象。该现象反映了煤岩内部的损坏情况与其内部原生裂隙的压密、新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关。而矿山采场及巷道围岩破坏前后发生的微震，属于矿体—围岩系统在其力学平衡状态被破坏并且释放出大于消耗能量的瞬间震动。每次能量的突然释放均伴随应力平衡状态的破坏，从物理破坏点(震源)向外传播地震波。

采用微震监测系统对潞安矿区3#煤层余吾矿S2205与N2105两个典型综放工作面采场覆岩的能量分布进行监测，综放工作面采场覆岩内能量事件分布监测结果见图1，图中圆点代表微震事件，圆点的面积越大代表微震事件的能量越大。

由监测工作面覆岩内的能量事件分布情况可见，能量事件的分布大致呈拱形分布(除底板能量事件)，与裂隙场的分布基本一致，由此可知岩体破坏造成裂隙产生发育，同时伴随能量释放，二者与瓦斯流场具有空间与时间上的统一性。也就是说裂隙场内包含了大部分的微震能量事件，即裂隙场是工作面附近释放的能量事件的“包体”，裂隙场内发生了瓦斯的流动和能量的释放，裂隙场、瓦斯流场和覆岩受采动影响表征出来的能量场存在空间上的一致性。

图1 综放工作面采场覆岩内能量事件分布

2 基于能量场理论的高抽巷设计方法

由于能量场、裂隙场以及瓦斯流动场在采动空间上表现出来一致性，在高强度开采条件下，采动空间能量释放大的区域，顶板裂隙也较为发育，为瓦斯运移提供了足够的通道。因此，高抽巷应布置于能量密集区的上位附近，既能保证高抽巷的变形趋缓，又可实现对裂隙场内瓦斯进行最充分的抽采。

通过分析潞安矿区高抽巷抽采瓦斯效果较好的典型综放工作面，绘制出监测工作面不同覆岩层位的能量事件频次直方图，见图2。可见高抽巷合理层位位置均位于能量事件密集区上位附近。

由上述分析可知高抽巷的合理层位应位于能量事件密集区的上位，而裂隙场和能量场存在空间上的线性相关性，则可知能量场密集区上限位置H高与裂隙场拱高H拱的各因素呈二次多项式关系，则：

(1)

式中：H高——高抽巷距煤层垂高，m；

H拱——裂隙场拱高，m；

x——煤层厚度，m；埋藏深度，m；工作面长度，m；推进速度，m/d；

k——线性系数；

a——二次项系数；

b——一次项系数；

c——常数。

潞安矿区3#煤层工作面长度一般在230～320 m之间，按照传统理论，基本达到倾向方向上的充分采动，对裂隙拱的发育高度影响较小，则在确定潞安矿区3#煤层高抽巷合理层位时，分析因素主要包括工作面煤层厚度、工作面埋藏深度和工作面平均推进速度。根据裂隙场拱高与各因素之间的拟合关系，考虑一定的权重系数，结合潞安矿区近几年在应用高抽巷治理采空区瓦斯过程中积累的大量实测数据，通过拟合求得最优化解集，进一步修正得到潞安矿区合理高抽巷层位的一般计算式：

H高=-0.103x12+2.55x1+0.0000832x22

-0.0691x2+0.018x32-0.83x3+39.95 (2)

式中：x1——煤层厚度，m；

x2——埋藏深度，m；

x3——平均推进速度，m/d。

3 应用实例

余吾矿N1202 工作面长234.5 m，走向可采长度861.3 m，可采储量211万t。主采煤层为3#煤层。3#煤层容重为1.39 t/m3，煤质松软，平均倾角为4.3°，平均煤厚6.34 m(x1=6.34 m)，埋藏深度509.7～534.3 m，平均埋深522 m(x2=522 m)，工作面平均推进速度3.05 m/d(x3=3.05 m/d)。将相关数据代入式(2)，得N1202工作面高抽巷合理垂高为36.2 m。

为了验证高抽巷层位布置的合理性，对工作面回采期间的高抽巷效果进行了实测研究。N1202工作面高抽巷在工作面回采初期层位逐渐上升，共经历了6个阶段的层位变化，如图3所示：第1阶段

回采距离15～55 m，高抽巷层位距煤层10～22 m；第2阶段回采距离55～110 m，高抽巷层位距煤层22～28 m；第3阶段回采距离110～175 m，高抽巷层位距煤层28～35 m；第4阶段回采距离175～260 m，高抽巷层位距煤层35～42 m；第5阶段回采距离260～305 m，煤层遇冲刷带，不参与对比；第6阶段回采305 m以后，高抽巷层位距煤层40～36 m。

图2 监测工作面的能量事件分布

图3 高抽巷层位变化示意图

图4为高抽巷处于不同层位时的抽采瓦斯浓度和抽采瓦斯纯量，图4显示，第3阶段的后期、第4阶段的前期和第6阶段抽采瓦斯总量较大，瓦斯抽放效果最佳，根据对应的高抽巷层位可知，此期间高抽巷层位约为36 m，与上述理论计算值相符合。

图4 高抽巷不同层位时的瓦斯抽采效果

4 结论

(1)采动引起采场覆岩中能量事件的分布大致呈拱形分布，裂隙场、瓦斯流场和覆岩受采动影响表征出来的能量场保持空间上的一致性。

(2)高抽巷的合理层位应位于能量事件密集区的上部，在这一层位布置高抽巷既能保证高抽巷的变形趋缓，又可对裂隙场内瓦斯可进行充分的抽采。

(3)基于能量场理论得到潞安矿区合理高抽巷层位的一般计算式：

H高=-0.103x12+2.55x1+0.0000832x22

-0.0691x2+0.018x32-0.83x3+39.95

(4)通过现场应用实例验证，基于能量场理论的高抽巷层位设计方法能够满足现场需求，具有较好的适用性。

[1]王振刚,白志鹏.综放面走向高抽巷瓦斯抽采技术研究.中国煤炭,2016(2)

[2]梁春豪.东曲矿28202工作面高抽巷抽放瓦斯技术试验研究.中国煤炭,2013(12)

[3]张爱科.阳煤集团瓦斯治理实践与展望.中国煤炭,2009(11)

[4]王林,王兆丰等.采用顶板走向高抽巷治理综放面采空区瓦斯技术实践.能源技术与管理,2010(6)

[5]李青柏,李文洲.高抽巷布置优化设计及分析.煤矿开采,2010(5)

[6]朱红青,张民波等.常村矿2103工作面顶板走向高抽巷合理层位的确定.煤炭工程,2013(6)

(责任编辑 张毅玲)

Research on high level suction roadway's reasonable locationin fully mechanized caving face with high gas based on energy field theory

Huang Zhizeng1,2

(1. Coal Mining Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to determine high level suction roadway's reasonable location in fully mechanized caving face with high gas, the relationship among energy field, fracture field and gas flow field of overlying strata was analyzed, it considered the three fields had spatial consistency, thus the design method of the high level suction roadway's reasonable location was proposed based on energy field theory, and the theoretical calculation expression of the high level suction roadway's reasonable location in Lu'an mining area was also given. Field application examples showed that the method was consistent with actual measurement results, which verified the preferable field applicability of the method.

energy field theory, fully mechanized caving face, high level suction roadway, location

国家自然科学青年基金项目(51504135)，煤炭科学研究总院科技创新基金项目(2015ZYJ001)

TD353

A

黄志增(1982-)，男，江苏泗阳人，博士研究生，副研究员，主要从事采煤方法、矿山压力及其控制及安全高效开采技术开发与推广工作。