赵庄矿1307工作面走向高抽巷合理层位研究

2018-07-25刘洪明

山西化工 2018年3期

关键词：纯量层位裂隙

刘洪明

(山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西长治 046600)

1 1307工作面概况及高抽巷抽采瓦斯原理

1.1 1307工作面概况

赵庄矿1307工作面走向长2 800 m，倾向长220 m，平均煤厚4.5 m，可采储量为345万t。工作面采用U型通风，共布置3条巷道，13071巷、13073巷为进风巷，13072巷为回风巷。

1.2 走向高抽巷抽采瓦斯的原理

随着工作面顶板周期性垮落，采空区深部大部分垮落带内岩石由于底板的支撑作用及上部岩层的重力作用，高层裂隙变窄，空隙变小，最终逐渐被压实，而受到遗留煤柱支撑作用，煤柱四周岩石压缩程度小于采空区中部，就会在采空区四周形成一个“O”形圈，使得采空区气体可以相互补充。“O”形圈内部存储了大量的高浓度瓦斯，该区域为顶板瓦斯的富集区，即为采空区内部瓦斯储存流动场所。如图1所示。

图1 采空区“O”形圈分布

井下卸压瓦斯抽采主要是利用受采动影响后，煤岩体裂隙发育，煤层透气性增加，瓦斯运移的通道增多，在抽采负压作用下，被抽采系统抽走，邻近层瓦斯主要通过高抽巷或高位钻孔抽出。常用的走向高抽巷如图2和图3所示。

图2 走向高抽巷抽采瓦斯示意图

图3 1307高抽巷剖面示意图

高抽巷通常情况下是在采区回风巷内以一定角度在施工一段穿层斜巷，直到走到煤层顶板上高抽巷的设计层位，在掘进过程中不断探测高抽巷的层位保证高抽巷能够始终与预采煤层顶板保持一定的距离，避免层位超高或过低影响抽采效果，高抽巷应与工作面回风巷保持一定的水平距离，这个距离不能过小，过小可能由于应力作用巷道密闭性不好，抽采浓度低。

2 1307高抽巷层位确定方法

高抽巷应该布置在工作面顶板上部的裂隙带的中下部，但是不同矿井工作面上覆岩层“三带”的分布不同，不能一概而论，为了将高抽巷布置的更加合理，确保抽采效果，赵庄矿1307高抽巷采取经验公式计算来确定工作面上覆岩层“三带”的高度分布，来确定高抽巷的层位。

1) “三带”理论公式计算方法一

垮落带的高度：

H1=M/(K-1)

(1)

式中：H1为沿煤层方向冒落带的高度，m；M为回采层厚度，m；K为垮落带岩石碎涨系数，取1.3。

根据上式，计算得出1307工作面垮落带高度为H1=4.6～6.1/(1.3-1)=15.3 m～20.33 m。

裂隙带的高度：

H2=100M/(2M+3)+6

(2)

式中：H2为裂隙带沿煤层法向的高度，m；M为回采层厚度，m。

根据上式，计算出1307工作面裂隙带的高度为：H2=100(4.6～6.1)/[2(4.6～6.1)+3]+6=43.7 m～46.1 m。

2) “三带”理论公式计算方法二

用《建筑物、水体、铁路及主用井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式进行计算，具体垮落带和裂隙带的计算公式如表1所示。

表1 “三带”高度理论计算公式

该公式煤层采高在3 m以内的覆岩裂隙带高度与现场实测吻合程度很高，当煤层采高>3 m时，实测裂隙带高度约为经验公式中较大计算值的1.3～1.5倍。因此修正后的裂隙带高度计算式为：

Hs=λHd(采高M>3 m)

(3)

式中：Hs为修正后的冒落带、裂隙带理论高度，m；Hd为冒落带、裂隙带高度判别公式；为修正系数，一般取 1.3～1.5；M为煤层采高。

裂隙带高度范围计算分析：根据赵庄矿3#煤层顶底板岩性可知，该煤层顶板属于中硬岩层，按照上述冒落带与裂隙带中的中硬岩层的判别公式可知：

冒落带的计算公式为：

(4)

裂隙带的计算公式为：

(5)

3#煤层煤层平均厚度为5.5 m，再结合式(3)可知：

Hs冒=λ100M4.7M+2.9+2.2=1.3×100×5.54.7×5.5+2.9+2.2=27.73

Hs裂=λ100M1.6M+3.6+5.6=1.3×100×5.51.6×5.5+3.6+5.6=64.9

因此，依据上述理论判别公式，计算结果表明：赵庄矿1307工作面冒落带最大高度范围为27.73 m，裂隙带最大高度范围为64.9 m，即裂隙带的高度范围约为 27.73 m～64.9 m。

根据理论公式的计算得出裂隙带的高度范围，赵庄矿1307高抽巷在1104巷内进行开口，巷道与13072巷的水平距离为34 m，层位选在距工作面煤层顶板30 m～62 m。通过工作面回采期间的抽采效果分析，来确定高抽巷最佳的合理层位。

3 1307走向高抽巷抽采情况分析

高抽巷的层位合理与否直接影响着高抽巷的抽采效果，层位适不适合主要还的从高抽巷抽采期间系统的浓度、负压、抽放量变化情况来分析。当高抽巷处于冒落带内时，由于密闭性差，系统的浓度低、负压低、流量大；当高抽巷处于裂隙带时，巷道密闭性好，系统的浓度高、负压高、流量小，抽采效果好。

3.1 高抽巷抽采纯量分析

按照抽放纯量在35 m3/min以上算抽采效果较好来看，从高抽巷抽放纯量随高抽巷层位的变化曲线可以看出，高抽巷层位在40 m～60 m之间时，抽放纯量都在35 m3/min以上；当高抽巷层位在43 m时，系统抽采纯量能达到37.5 m3/min，系统浓度13.2%；高抽巷层位在48 m左右时，系统抽采纯量为47 m3/min，系统浓度15.4%；高抽巷层位达51 m左右时，系统抽采纯量为47.6 m3/min，系统浓度15.6%。

随着高抽巷层位的增加(43 m→48 m→51 m)，瓦斯抽采纯量也逐渐增大(37.5 m3/min→47 m3/min→47.6 m3/min)，当纯量为47.6 m3/min时，基本达到高抽巷抽采以来的最大峰值。可见，高抽巷的最佳层位应该在43 m～51 m之间，此时抽采效果最好，对应的抽采纯量为37.5 m3/min～47.6 m3/min。具体数据如图4所示。

图4 高抽巷抽放纯量与层位之间的关系

3.2 高抽巷抽采浓度分析

如图5所示，在工作面回采初期工作面回采进度较慢，采空区顶板未跨落，高抽巷与采空区的裂隙不发育，但由于高抽巷迎头向工作面切眼上方施工的有钻孔，高抽巷主要抽采的是煤体的卸压瓦斯，所以初期瓦斯浓度较低。从图4中可以清晰的看出，高抽巷层位在38 m～60 m之间时，高抽巷的浓度相对较稳定，基本在10%以上，故从高抽巷浓度分析情况来看，高抽巷的最佳层位应在38 m～60 m。

图5 高抽巷抽采浓度与层位之间的关系

3.3 高抽巷抽采负压分析

从图6可以看出：

1) 随着工作面的推进，采空区不断的垮落，顶板裂隙发育，采空区与高抽巷逐步沟通，当工作面推过高抽巷迎头53 m，层位30.6 m时，高抽巷与采空区的裂隙增加，高抽巷负压由31 kPa降至13 kPa，当工作面推过高抽巷迎头100 m时，负压由开始的31 kPa降至3 kPa，采空区与高抽巷完全沟通，流量和浓度均大幅上升。

2) 随着工作面的推进，高抽巷的浓度不断变化，其中在工作面推进936 m～1 319 m时浓度相对较高较稳定维持在10%以上，而且此时的系统标况流量在300 m3/min左右，此时的负压在5 kPa～7 kPa。

3) 随着工作面的不断推进，高抽巷的抽采负压趋于稳定，在5 kPa～9 kPa波动。

综上，通过流量、浓度、抽放纯量的变化曲线来看，高抽巷的最佳负压在5 kPa～7 kPa。