宏岩煤矿综放工作面高抽巷合理层位布置研究

2018-05-11廉振山

采矿与岩层控制工程学报 2018年2期

廉振山，张礼

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

随着煤矿开采工艺的进步和机械化程度的提高，综采放顶煤技术得到了广泛应用，而其开采过程中工作面上隅角及回风巷内瓦斯超限问题，极大地制约了安全高效生产、危及了人员的安全[1]。随着抽采技术的发展，在工作面上方布置走向高抽巷进行瓦斯抽采，是一种有效的治理上隅角瓦斯超限的方法，而高抽巷布置的层位选择，对于其抽采效果起到了关键性的作用[2-3]。

娄金福[4]以覆岩采动裂缝形成的“O”型圈理论为指导，研究了高抽巷布置分别在顶板不同高度的层位上时，其与回风巷水平距离以及与切眼间距离之间的相互关系。李迎超[5]等通过Fluent软件对瓦斯抽采参数进行了数值模拟，研究了高抽巷空间布置与抽采参数之间的相互影响。周华东[6]等结合顶板采动破断规律，提出了初采期间高抽巷的布置方案。李胜[7]等通过修正经验公式进行理论计算，利用FLAC3D模拟顶板覆岩运动，结合钻孔流量法现场观测和巷道应力、岩层垮落角的分析，得到了高抽巷垂距和水平错距。本文采用理论计算和UDEC数值模拟相结合的方法，对宏岩煤矿10101首采综放工作面顶板高抽巷的合理层位布置进行了分析研究。

1 工作面概况

宏岩煤矿10101工作面为首采区的首采工作面，开采9+10煤，平均埋深300m，平均厚度5.76m，平均倾角6°，坚固性系数f=2～3，采用综采放顶煤工艺，工作面长度180m，采用双巷布置，分别为进、回风巷。根据分源预测法可知，回采工作面瓦斯涌出中，本煤层瓦斯涌出占90.2%，邻近层瓦斯涌出占9.8%。根据地质报告，9+10煤直接顶板为细砂岩，基本顶为石灰岩、泥岩互层，直接底为砂质泥岩、炭质泥岩；基本底为泥岩。10101工作面煤层综合柱状如图1所示。

图1 10101工作面煤层综合柱状

2 工作面覆岩破坏高度理论

2.1 覆岩采动变形破坏形态分布

煤层受采动破坏后，周围岩层随之由下至上、由前到后逐渐破坏发展，一般将采场覆岩由下至上划分为垮落带、裂缝带和弯曲带，由前到后形成煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。随着工作面的推进，会在采空区四周形成一个连通的采动裂隙发育区，即“O”形圈。高抽巷就是将巷道布置在裂缝带和“O”形裂隙圈影响范围内，以达到抽放采空区高浓度瓦斯的目的[8-9]，如图2所示。

图2 覆岩破坏发育形态分布

2.2 采动裂隙高度发育的离散性

采动裂隙带的高度受覆岩结构与岩层厚度的影响，并具有离散性，表现为两个方面：在层面方向上，裂隙的分布具有离散性；在高度方向上，上限处裂隙具有导通性。因此，当采高增大时，采动裂隙高度的增加却不是按照裂采比的倍数关系连续增加的，而是以上覆岩层的厚度值为步距分段增加的，这就决定了采动裂隙高度的发育具有离散性，如图3所示。

图3 采动裂隙带离散性发育示意

2.3 高抽巷层位高度的理论确定

高抽巷层位的确定，需考虑瓦斯抽放的效果，应布置在受采动范围影响小，且瓦斯涌出密集的区域。因此，高抽巷的层位确定在垮落带之上、裂缝带中下部为宜，即高抽巷层位高度Hz应满足Hm

(1)

(2)

式中，Hz为高抽巷层位高度，m；Hm为垮落带高度，m；Hl为裂缝带高度，m；h为煤层采高，m；R为岩石碎胀系数；α为煤层倾角，(°)；a，b，c为待定常数。

根据宏岩煤矿现场实际情况，采高h为5.76m，垮落岩石平均碎胀系数k取1.25，煤层倾角α为6°，煤层上覆岩层以中硬岩层为主，故待定常数a，b，c分别为1.6，3.6，5.6。将相关数据代入公式(1)和(2)得到垮落带理论高度为23m，裂缝带理论高度范围为39.3～50.5m。所以，高抽巷层位理论高度应布置在23～50.5m之内。此范围为理论计算所得，需要借助于数值模拟进一步确定。

3 高抽巷层位高度的数值模拟

3.1 数值计算原理

模拟实验采用的UDEC4.0软件能很好地模拟煤层开挖后顶板垮落、离层的过程，可以较准确地分析围岩性质、采动影响、支护特征等因素对巷道稳定性的影响。

3.2 数值计算模型的建立

3.2.1 初始模型的建立

考虑煤层倾角较小，计算模型设为水平模型，模型尺寸为130m×300m，为平衡边界影响巷道两侧各留30m煤柱，模型上覆岩层通过施加垂直应力实现。采用摩尔-库伦模型，模型深300m，上边界施加7.5MPa的垂直应力，重力加速度为10m/s2。依据相邻矿井岩石力学参数和矿方的资料确定了岩石物理力学参数，本次采用的岩石力学参数如表1所示。

表1 主要煤岩物理力学参数

根据表1中各煤岩的物理力学参数，利用UDEC4.0计算模拟软件建立的初始力学模型如图4所示，与实际工作面长度和布置方式一致。图中包含4，5，6和9+10煤4组煤。其中5煤距离4煤11.4m；6煤距离5煤10.06m，距离L4石灰岩6.85m；9+10煤距离6煤36.69m，距离L4石灰岩21.22m，平均埋深300m。

图4 初始计算模型

3.2.2 模型运算

计算模型按照宏岩煤矿实际情况进行，首先开挖4煤，待运算平衡后再进行巷道和9+10煤的开挖。按综采放顶煤的工作面采出率不低于85%计算，模拟采煤高度为5m。模型开挖过程中设置了3条测线，共计54个测点，各测点参数见表2。

3.3 模拟计算结果分析

3.3.1 4煤开采顶底板位移和应力变化

4煤开采后在顶底板垂直方向的位移如图5所示。模型所包含的4煤上方29.6m顶板垂直位移在1m左右，处于裂缝带范围；下方10m范围内的底板位移量为0.08m左右，位移量较小。

图5 4煤采动顶底板垂直方向位移

4煤开采后的垂直应力如图6所示。4煤开采后对底板及下部岩层起到了卸压作用，使得9+10煤所受垂直应力有所降低。

图6 4煤采动岩层垂直应力

3.3.2 9+10煤开采上覆岩层移动破坏特征

从图7中可以明显看出，9+10煤开采后位于顶板的L4石灰岩以下的岩层全部垮落，L4石灰岩上部的岩层弯曲破坏比较明显。回风巷和进风巷变形破坏严重。9+10煤底板出现明显底鼓。具体的垮落带、裂缝带高度需要通过测点位移进一步确定。

图7 9+10煤采动覆岩破坏特征示意

3.3.3 测线位移分析

模拟计算平衡后，设置的测线的计算结果如图8～图10所示。从所布置测线的各测点垂直位移曲线图中可以看出：

图8 测线1各测点的垂直位移

图9 测线2各测点的垂直位移

图10 测线3各测点的垂直位移

(1)9+10煤开采后处于同一水平的测点1，21，41位移量均为4.9m左右，即中砂岩直接顶全部垮落。其余各水平测点中，位于工作面中部测点的位移明显大于位于工作面两端各测点的位移。这主要由于两组测点位于工作面的两端，两端头的顶板在煤柱的支撑下没有完全垮落下来，所以顶板下沉量会小于中部测点。

(2)对于同一竖向测线，测线1上除去测点1其余各测点的垂直位移量集中在2.0m左右；测线2上测点22垂直位移量为5.21m，测点23垂直位移量为4.54m，其余各测点位移量集中在4.5m左右；测线3上测点42垂直位移为2.26m，其余各点位移量集中在1.7m左右。经分析可知测点2，3，22，23，42，43处于基本顶的范围，处于垮落带，垮落带高度约为21m左右。

(3)对于裂缝带高度可参考图9测线2的垂直位移量，测点24及以上各测点垂直位移多集中在4.2m左右，一并结合图11覆岩垂直位移图可明显看出，9+10煤的裂缝带高度大于62m，已达到4煤的采空区，与4煤的垮落带、裂缝带相通。9+10煤开采后的垂直应力分布情况如图12所示。图13为采动后的切向位移图，深色区域为岩层切向位移超过1m的区域，由图13可看出在工作面中间顶板的切向位移量最小，两端顶板切向位移量较大，横向裂隙较为发育。