兴峪煤矿15501工作面高抽巷合理位置应用研究

马珍选

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

阳煤集团的兴峪煤矿属于高瓦斯矿井，负责开采的15#煤层为简单结构煤层。煤层倾角0°～15°，平均5°，煤层厚6.55～7.0m，平均厚6.8m，一般含矸2层,煤层中下部夹石厚度为0.1m,下部夹石厚度0.05m，煤岩类型为半亮型～光亮型。其15#煤层的15501综放工作面目前处于准备阶段，工作面地表位于毕沟村以西南一带，地形沟谷纵横，盖山厚度227～424m。地面标高 1065～1255m，工作面标高 798—-826m。工作面位于井下五采区南部，东部为扩区准备大巷；南部、北部为实体煤田，西部与矿界相距20m。工作面顶底板岩性见表1。

表1 15#煤顶底板岩性特征表

由于该矿井属于高瓦斯矿井，需对工作面的瓦斯进行治理，现设计采用在工作面上方设置高抽巷来专门对工作面内的瓦斯进行抽采，根据15501综放工作面长度设计15501高抽巷总设计长度为1266.54m，服务年限为3年，专门服务于15501综放工作面回采期间抽放瓦斯。15501回风顺槽掘沿15#煤底板掘进，巷道顶板、两帮全部为煤层。巷道两侧为实体煤，没有受到采动影响，属Ⅳ类巷道。15501抽放巷与工作面的空间位置时决定抽放效果非常关键的因素，为了达到最佳的抽放效果现在对其合理的布置位置进行研究。

2 垂直三带高度的范围确定

15501综放工作面采用全部垮落法管理顶板，随着回采工作面的推进，液压支架后方的采空区内岩层会破裂垮落，最终采空区由碎裂岩块充填密实，对上部围岩起到一定的支撑作用，从而使采空区的上覆岩层重新稳定，岩层的位移和破坏具体特征如图1所示。在岩层的破断垮落过程中在竖直方向上岩层的位移和破坏具有明显的分带性，经过相关的实验研究将采空区至地表的岩层竖直方向上可以分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，不同分区的岩层碎裂程度、裂隙发育情况有很大差别[1]。

在煤层上部岩层内布置用来抽放瓦斯的高抽巷时，高抽巷与煤层顶板的垂直距离对抽采采空区瓦斯和工作面上隅角瓦斯的效果影响很大，因此高抽巷选取合理的层位非常重要。采空区岩层中的裂隙带，岩层断裂为岩块，砌体梁的结构形式相互作用，使岩层稳定，岩块之间裂隙非常大，空气连通性运移非常有益，好，与煤层的采空区很好的贯通，气流可以非常轻松的穿越，对于工作面及采空区瓦斯的运移非常有益，所以高抽巷布置在裂隙带内会得到很好的瓦斯抽排效果。因此计算裂隙带的高度范围合理确定高抽巷位置的基础。

图1 采空区上覆岩层位移和破坏示意图

目前计算采空区上覆岩层三带高度时最常采用的是经验公式，国内外的很多研究人员进行实地测量来严重公式的可靠性，发现实际测量的高度一般都要比经验公式的计算结果小一些，因此在参考经验公式计算结果时，应当将理论计算结果看的小一些，对于本文所要研究的高抽巷的布置高度范围具有一定的参考价值，降低了三带高度与实际的误差。根据勘察单位的报告得知顶板围岩为中硬岩层，具体的计算公式如下：

冒落带高度：

裂隙带高度：

式中：m为煤层厚度。

由经验公式明显能够看出，岩层的垮落、冒落高度与煤层厚度及岩层岩性密切相关。吴仁伦[2]等学者通过数值模拟、实地测量对经验公式的准确性进行验证，发现当煤层厚度小于3m时，实际高度与计算的高度差别不大，但是当煤层厚度为3m以上时，实际值仅为经验公式计算值的0.4倍左右，鉴于这样的事实他们提出了更为细化的计算覆岩各区带的高度范围的方法，本次计算采用其理论，修正后的计算公式为：

式中：Hs为修正后的冒落带、裂隙带理论高度，单位：m;Hd为冒落带、裂隙带高度经验公式计算结果，单位：m；λ为修正系数，取 1.2；

兴峪煤业的15501综放工作面开采的15#煤层平均厚度为6.8m，根据工作面的实际情况，将数据带入经验公式及修正公式，计算结果如下：

参考以上计算结果可知，15501工作面上覆岩层的冒落带距离采空区底板的距离为20m左右，裂隙带范围为20～53m之间。

3 数值模拟

为了更直观的了解不同层位的高抽巷对瓦斯抽排效果的影响，运用FLUENT数值模拟软件，根据兴峪煤业15501综放面的实际尺寸并结合着理论计算的结果，建立如图2所示的数值模拟模型，来模拟高抽巷与煤层顶板不同垂直距离条件下的瓦斯抽排[3]。

图2 采空区几何模型正视图

根据以往相关研究表明，高抽巷在煤层上部水平方向上与工作面距离的不同，工作面上隅角瓦斯浓度相差不是很大，这就表明高抽巷的水平位置对于瓦斯的抽排效果的影响并不大，根据以往的经验将其水平方向上布置于工作面中部，确定了高抽巷的最佳水平位置后，通过数值模拟来模拟高抽巷与煤层顶板垂直距离分别为5m、10m、15m、20m不同条件下瓦斯抽排的效果，对于不同条件下的模拟结果，截取各垂直距离时的高抽巷瓦斯浓度分布立体图，来观察瓦斯的分布情况，统计垂直距离为高抽巷层位时的采空区瓦斯浓度，将得到的数据汇总得到的详细数据如表2所示。对表2中的不同垂高下的高抽巷抽采瓦斯浓度进行整理，得到如图3所示的折线图。

表2 不同垂直距离时各观测点的瓦斯浓度表

图3 不同垂距下高抽巷抽采瓦斯浓度变化趋势曲线图

根据数值模拟的结果可以看出，随着高抽巷底板与采空区底板垂直距离的增大，高抽巷抽采瓦斯浓度、上隅角瓦斯浓度、抽采瓦斯纯量数值在整体上均呈现为先增大后减小的趋势。在高抽巷与煤层顶板垂直距离为10m的区域范围内，回采工作面与高抽巷的距离较近，使回采工作内的瓦斯会有一部分能够运移至高抽巷内，从而高抽巷能够抽采采空区裂隙带内的瓦斯，并且由于高抽巷位于裂隙带的位置，能够有效的抽采裂隙带内的瓦斯，因此高抽巷内的瓦斯浓度较高，抽采纯量较其他层位也相对较大，达到最好的抽排效果。在距煤层顶板10m以内时，随着距离的减小，浓度较小是由于与工作面距离太近，虽然能抽排一部分工作面内的瓦斯，但是采空区内巷道处于冒落带内，抽到的采空区的瓦斯很少，因此总量也就较少。而当高抽巷与煤层顶板间距由10m继续增大时，高抽巷虽然全部处在裂隙带内，能够抽采采空区上浮瓦斯，但是由于与工作面的垂直距离较大，瓦斯向上移动的阻力增加，很难抽到15501综放工作面内的瓦斯，因此抽到瓦斯的浓度、纯量均逐渐减小。

4 结 论

综上所述，当高抽巷与煤层顶板板垂直高度为10m左右时，高抽巷抽采瓦斯浓度最大、纯量最高，同时在高抽巷的作用下工作面上隅角瓦斯浓度为0.62%,符合《煤矿安全规程》中规定的上隅角瓦斯浓度低于1%的要求。理论计算的结果为高抽巷的最佳位置应当在距煤层顶板垂直距离为13.2m到46.2m之间，数值模拟的结果表明垂距应该在10m左右，因此结合着15#煤层顶板的具体情况，15501工作面低位抽放巷为沿15#煤老顶上部K2石灰岩为顶板掘进的全岩巷，巷道顶板为岩层，两帮为泥岩，属Ⅱ类巷道，与煤层顶板的垂直距离平均为8.92m。后期的瓦斯抽采验证了高抽巷位置的合理性。