综放面瓦斯抽采高抽巷布置参数优化分析

郭 洪

(阳煤集团和顺新大地煤业有限公司，山西 晋中 032700)

0 引言

阳泉煤业集团和顺新大地煤业有限公司开采8#、15#煤层，属高瓦斯矿井。矿井开采随着工作面的不断延伸，井下煤层赋存条件将更趋复杂，矿井煤层瓦斯灾害威胁将越来越大。煤层瓦斯灾害已成为矿井安全生产的主要威胁。在开采过程中，应首先确定煤层开采的关键层，然后采用导水裂隙带经验公式等方法估计出高抽巷的位置，接着采用数值模拟等方法对巷道的稳定性进行分析，便可以确定高抽巷的理想层位，进而保障煤矿企业的安全生产。

1 工作面概况

15201综放面是新大地煤矿二采区的首个工作面(如图1所示)，为了防止采煤过程中瓦斯涌出量大而引发瓦斯安全问题和阻碍工作面高产高效开采现象的发生，根据阳煤集团老区矿井的经验数据，在11#煤层布置走向高抽巷抽采邻近层瓦斯，以期减小工作面瓦斯涌出量。但是，新大地煤矿的覆岩结构条件与老区矿井15#煤层的上覆岩层结构存在差异，使得15#煤层的上覆邻近层瓦斯的卸压运移规律产生变化。因此，进行15201综放面走向高抽巷布置参数优化研究，对工作面高抽巷布置具有指导意义。

2 走向高抽巷布置层位优化分析

阳煤集团15201综放面位于井田二采区东部，工作面长度为180 m，标高为972～1 128 m，地表标高为1 300.8～1 493.6 m，埋藏深度为312～499 m，为东南高西北低的趋势。工作面开采煤层为15#煤层，平均煤层厚度为5.43 m，煤层倾角为8°～12°。煤层为简单结构煤层，硬度一般为2～3。15#煤层的直接顶以黑色泥岩、砂岩为主，厚度平均14.76 m，属4类顶板；老顶为K2灰岩，平均厚度为5.76 m。底板为砂质泥岩、泥岩，平均厚度为12.99 m。15#煤层底板砂质泥岩抗压强度为25.4 MPa，抗拉强度为1.75 MPa，抗剪强度为5.35 MPa。15#煤层顶板泥岩抗压强度为12.4 MPa，抗拉强度为0.54 MPa，抗剪强度为1.55 MPa。

2.1 采动上覆瓦斯卸压运移的“三带”范围

为有效找出合理的瓦斯抽采高抽巷的布置层位，需要找到煤层上覆岩层的关键层所在的层位。为了便于分析，根据15201工作面的钻孔柱状图，利用中国矿业大学研发的KSPB软件对工作面上覆岩层关键层进行了判别。经过KSPB软件的计算，在工作面上方共有9层关键层。在找到煤层的关键层所在的层位以及得到了关键层的厚度后，可以确定煤层上覆岩层移动过程中产生的导水裂隙带，就可以确定导气裂隙带的高度，从而为合理布置煤层瓦斯抽采高抽巷的布置提供参考。经过分析，当15201综采工作面上覆岩层达到充分采动时，根据修正后的导水断裂带高度的经验判别公式计算导气裂隙带，可得导气裂隙带预测高度为55.3 m；根据关键层判别卸压解吸带的方法，确定卸压解吸带的发育止于主关键层，即卸压解吸带的高度为279.44 m。按照走向高抽巷的布置原则，15201工作面的走向高抽巷应布置在15#煤层顶板55.3 m以下范围的上覆岩层内。导水断裂带高度[1]的经验判别公式见表1，其中M表示煤层的开采厚度。

表1 导水断裂带高度的经验判别公式

从表1中可以看出，导水裂隙带的高度不仅与煤层的开采厚度有关，也与煤层上覆岩层的岩性有关，可以分为坚硬、中硬、软弱以及极软弱等4种情况。对于导水裂隙带的计算有2种类型的计算公式，2种类型公式的计算形式存在一定的差异性。为了确保导水裂隙带层位的合理性，下面采用数值模拟对高抽巷的稳定性进行分析。

2.2 走向高抽巷的采动变形破坏规律

由于在15201综采工作面开采时，煤层的开采高度较大，达到了5.2 m，而且煤体的强度较低，煤体内的裂隙比较发育。在这种情况下，直接利用传统的导水裂隙带的高度来确定高抽巷的位置是十分不合理的，主要是由于工作面的煤层开采高度过大[2-3]。在这种情况下，根据15201综采工作面生产地质条件，在给定支护参数条件下，总共设计计算方案共5个：6M-31.2 m；7M-36.4 m；8M-41.6 m；9M-46.8 m；10M-52 m。不同方案条件下高抽巷相对于煤层的综合柱状图的位置，如图2所示。为了能准确分析高抽巷的变形及破坏情况，采用了美国Itasca公司的UDEC软件进行数值模拟，该软件能形象地分析巷道在地应力作用下的变形以及破坏现象。图2为不同方案条件下高抽巷位置图。

图2 不同方案条件下高抽巷位置图

在巷道的变形破坏过程中，巷道的顶底板相对移近量是衡量顶板巷道变形破坏的重要指标。利用UDEC数值计算软件可得出采动过程中不同层位处高抽巷顶底板平均移近量，当高抽巷位于8倍的采高时，整体下沉量较其他层位处小且巷道顶底板相对移近量仅为0.005 4 m，高抽巷位于9倍的采高时，巷道顶底板相对移近量仅为0.006 3 m且顶底板左右端相对移近量比较均匀。从巷道顶底板变形的角度分析，层位8倍的采高及9倍的采高是走向高抽巷布置的理想层位。两帮变形量也是巷道变形破坏的主要指标[4]。利用UDEC数值计算软件可得出采动过程中不同层位处高抽巷两帮围岩平均移近量，高抽巷位于9倍的采高时，巷道两帮板相对移近量仅为0.007 6 m，高抽巷位于10倍的采高时，巷道两帮板相对移近量仅为0.006 2 m。因此，从巷道两帮变形的角度分析，层位9倍的采高及10倍的采高是走向高抽巷布置的理想层位。

根据15201工作面的采动上覆瓦斯卸压运移的“三带”范围和走向高抽巷的采动变形破坏规律以及走向高抽巷的布置原则[5]，可知导气裂隙带预测高度为55.3 m，走向高抽巷应布置在15#煤层顶板55.3 m以下范围的上覆岩层内。同时，由于位于9倍采高处的走向高抽巷的巷道顶底板移近量及两帮移近量都较小，巷道断面完整性较好，工作面走向高抽巷的合理布置层位应为9倍采高处，即工作面顶板46.8 m处的上覆岩层内。采动过程中，不同层位高抽巷的变形破坏情况，如图3所示。

a-高抽巷位于6M层位；b-高抽巷位于7M层位；c-高抽巷位于8M层位 d-高抽巷位于9M层位；e-高抽巷位于10M层位图3 不同条件下高抽巷变形破坏情况

图3为高抽巷布置在不同层位条件下的巷道变形破坏情况。由图3可知，在6倍采高(图3(a))时，高抽巷的完整性最好，但是在6倍采高时巷道靠近13#煤层，巷道的瓦斯涌出严重，不利于巷道的开挖和掘进；在7倍采高(图3(b))时，巷道的顶板下沉严重，而且出现了底臌现象，不利于巷道的正常使用，需要消耗大量的财力用于巷道的维护；在8倍采高(图3(c))时，巷道的两帮和底板出现了严重的破坏；对于在9或10倍采高(图3(d)～图3(e))时，高抽巷的顶底板及两帮都比较完整，这对于瓦斯的长期抽采是十分有利的[6-8]。在新大地矿15201工作面地质条件下，高抽巷在位于9倍采高处时，巷道顶底板移近量及两帮移近量都较小，巷道断面完整性较好且易于维护，有利于邻近层瓦斯抽采。

3 结语

根据15201综采工作面的地质参数，首先确定了煤层开采过程中的关键层，然后采用导水裂隙带经验公式粗略地确定高抽巷的位置，最后采用UDEC软件进行数值模拟，对巷道的稳定性进行了分析，确定了高抽巷的理想层位。研究结果表明，在走向高抽巷位于工作面9倍采高时，巷道顶底板移近量及两帮移近量都较小，巷道断面完整性较好。新大地矿工作面走向高抽巷的合理布置层位应为9倍采高处，即工作面顶板46.8 m处的上覆岩层内。该方法可以为类似生产条件的矿井高抽巷布置提供一定的借鉴作用。