紫金煤业高抽巷合理层位的确定
2018-12-05张伟
张 伟
(山西煤炭运销集团晋中有限公司,山西 晋中 030600)
煤矿开采过程中,瓦斯事故是影响矿井安全生产的重要因素,实践证明,顶板高抽巷是解决瓦斯问题的有效方法,而高抽巷合理位置的选择,对瓦斯抽采效果以及巷道围岩稳定等都有着重要影响[1-3]。本文以山西煤炭运销集团紫金煤业6102工作面实际情况为背景,结合本矿的开采情况和煤层赋存条件,利用理论计算和FLAC3D数值模拟软件,确定高抽巷的合理层位,保障工作面的正常生产。
1 工程概况
紫金煤业位于山西省晋中市附近,主采煤层包括6#和15#煤层。6102工作面位于+450m水平一采区,主采6#煤层,煤层厚度为1.87~2.71m,平均2.25m,为中厚煤层,含0~2层夹矸,结构简单,埋深约686m,倾角约6°,属于近水平煤层,工作面走向长度1306m,倾向长度180m。煤层直接顶为8.75m厚的泥岩,基本顶为13.01m厚的粉砂岩,直接底为8.64m的泥岩,其综合柱状图如图1所示。
图1 岩层综合柱状图
2 高抽巷位置确定理论分析
2.1 高抽巷抽采瓦斯原理
煤层开采后,受采动影响,顶板上覆岩层可分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。垮落带岩层在工作面推进后不规则垮落,其上部即为裂隙带岩层,裂隙带又可分为两个部分,下部为破断裂隙,是由于岩层受拉剪破坏形成,上部为离层裂隙,是由于顶板岩层下沉不同步造成。煤层开采后,岩层垮落充满采空区,顶板岩层裂隙被压实,而裂隙带上部的离层部分却能一定程度上被保留,采空区内的瓦斯通过裂隙涌向离层,成为瓦斯积聚的主要场所[4]。
顶板高抽巷正是利用瓦斯运动的这一特性,将巷道布置在裂隙带范围内,煤层开采后,周围岩层受到损伤破坏,裂隙发育,附近煤层与岩层内的瓦斯通过裂隙向采空区积聚,再由高抽巷抽出。因此,确定高抽巷的合理位置对瓦斯抽采效果十分重要[5]。
2.2 高抽巷层位的确定
通过前面的分析可知,高抽巷应布置在顶板裂隙带中下部,一方面,距离瓦斯积聚区域较近,可以保障瓦斯抽采效果,另一方面,位于裂隙带中下部,可以保障巷道围岩相对稳定,不会随煤层开采而冒落。
因此,高抽巷层位的计算公式为:
式中:
Hz-高抽巷的层位高度,m;
Hm-顶板冒落高度,m;
ΔHm-安全高度,一般为1~1.5倍采高,m;
Hl-顶板裂隙带高度,m。
通过式(1)、(2)可以看出,高抽巷的层位与顶板冒落带和裂隙带的范围有着直接关系,这样,才能得到高抽巷层位的准确位置。
2.3 裂隙带范围的确定
顶板冒落带高度的计算公式为:
式中:
M-煤层采高,取2.25m;
k-顶板岩层碎涨系数,取1.4;
α-煤层倾角,取6°。
将数据代入式(3),可得:
顶板裂隙带高度的计算公式为:
将煤层采高2.25m代入式(4),可得顶板裂隙带高度为:
由式(2)、(3)、(4)可知,高抽巷的合理层位应为:
计算结果所示范围较大,不能准确得到高抽巷层位,还需借助数值模拟软件,确定高抽巷合理位置。
2.4 高抽巷水平位置的确定
顶板高抽巷水平位置可由下列经验公式计算得到[5]:
式中:
S-高抽巷与回风巷之间水平距离,m;
Hx-高抽巷与煤层垂直距离,取裂隙带高度25m;
B-高抽巷与“O”型圈距离,取20m;
θ-煤层与裂隙到开采边界连线的夹角,取60°;
其余符号与前面相同。将数据代入可得
由计算结果可知,高抽巷位置应在距离回风顺槽40m以内。
3 高抽巷位置确定数值模拟
通过前面的理论计算,确定的高抽巷层位范围较广,下面利用FLAC3D数值模拟软件,确定高抽巷的准确位置。
3.1 建立模型
根据图1所示综合柱状图,结合实际情况作出适当简化,建立数值模型。煤层顶板至地表简化为7个岩层,累计厚约690m;煤层底板可简化为2个岩层,累计厚度约200m,工作面两侧留200m边界煤柱。因此,整个模型水平宽580m,竖向高900m。模型示意图如图2所示。
图2 工作面数值模型
3.2 模拟结果分析
建立数值模型后,对工作面进行开挖,记录煤层开挖后的塑性区、垂直位移和应力分布,如图3~5所示。
图3 工作面塑性区图
图4 工作面垂直位移图
图5 工作面最大水平应力图
如图3所示,工作面回采后顶底板岩层内形成塑性区,其中,拉伸破坏区域表示顶板垮落带岩层区域,由图3可知,顶板垮落高度约为8~10m;由于煤层存在一定倾角,所以工作面两侧的垮落角并非完全一致,左侧垮落角约α≈60~65°,右侧垮落角约β≈40~45°。由顶板塑性图可知,高抽巷应位于垮落带上方垮落角之间,即有
如图4、5所示,采空区两侧煤壁上方存在一定范围明显的卸压区,说明这一区域内的采动裂隙较为发育,顶板高抽巷应尽量布置在这一卸压区内,即图5所示的橙色区域内,图中A点位置有:
B点位置有:
其中:
LA-A点与回风巷之间距离;
LB-B点与回风巷之间距离;
HA-A点与煤层的垂直距离;
HB-B点与煤层的垂直距离。
综上所述,根据数值模拟结果,顶板高抽巷应布置在距离回风巷30~40m,距离煤层顶板15~24m处。
4 结论
根据紫金煤业6102工作面实际地质条件,为解决矿井瓦斯抽采问题,对高抽巷合理位置进行分析,得到以下结论:
(1)根据理论计算结果,高抽巷应布置在距离煤层顶板7.26~40m处,距离回风巷水平距离约40m内;
(2)通过FLAC3D数值模拟软件进一步确定高抽巷位置,认为高抽巷应布置在距离煤层顶板15~24m处,距离回风巷水平距离30~40m处。