平舒煤矿15110工作面顶抽巷空间定位数值模拟研究

耿文亮， 董 凯

（山西阳煤集团平舒公司，山西 晋中 045400）

1 顶抽巷布置原理

在工作面附近岩层内布置瓦斯抽采巷道已逐渐成为高瓦斯工作面回采时降低瓦斯浓度的主要方式［1］，根据空间位置不同可分为煤层顶板抽采巷（顶抽巷）与煤层底板抽采巷两种布置形式，根据与工作面斜交方式不同亦可分为走向抽采巷与倾向抽采巷。其中，顶抽巷因位于瓦斯涌向工作面的必经道路上，其抽采效率及经济效益更为突出。

顶抽巷的首次应用可追溯至1992年阳泉五矿的15＃煤层［2］，该巷取得的瓦斯抽采率达到了87%。随后，阳泉三矿也采取顶抽巷的方式解决了工作面上隅角瓦斯频繁超标问题［3］。目前，通过布置顶抽巷控制工作面瓦斯浓度的方法已在同煤集团、淮南矿业集团、彬长矿业集团等多个高瓦斯矿井得到良好的应用，其成功案例为本矿井15110工作面顶板瓦斯抽采巷提供了可行性支持。

顶抽巷在空间位置选择方面主要是根据被服务抽采工作面的采场矿压分布情况，其根本因素受制于工作面埋深、开采高度、工作面宽度及工作面走向／倾向布置方式等［4］。一般而言，顶抽巷应位于煤层顶板的开采卸压区域，若与工作面距离过近，则巷道在超前支承压力的影响下难以维护；若与工作面距离过远，则抽采钻孔钻进长度与抽采成本大幅增加，抽采效率同样受到极大考验。因此，应根据被服务抽采工作面实际工程地质情况对顶抽巷空间位置进行专项设计。

2 15110工作面工程地质情况

本研究根据阳煤集团平舒煤矿15110工作面实际工程地质情况，对顶板瓦斯抽采巷进行初步空间定位。15110工作面沿15＃煤层走向布置，该煤层埋深约530m，平均厚度4.38m，平均倾角6°，工作面设计推进长度933m，倾斜长度200m。此外，现场勘探结果表明，15110工作面水文地质情况较为简单，主要充水源自太原组灰岩裂隙岩溶含水层，预计最大涌水量15m3／h，正常涌水量3m3／h。

3 开采地质体建模分析

3.1 数值模拟软件选择与模型建立

本研究采用一种适用于连续地质体的数值模拟软件FLAC3D。该软件将宏观采矿地质体通过网格形式划分为块体；根据研究对象的实际工程地质特征对具有不同岩性的岩层进行参数（密度、体积模量、剪切模量、内聚力、内摩擦角与抗拉强度）赋值；并在Mohr－Coulomb屈服准则下对模型进行动态开挖计算。

根据钻孔柱状，15＃煤层埋深相对较大，难以在数值模型中对煤层以上各岩层进行细致描述，因此，建模时以15＃煤层基本底为模型底部边界，以基本顶上方砂质泥岩层及石灰岩层为顶部边界，模型水平尺寸为400m×400m（长×宽）。由于模型顶部未达到地表，采用外加均布载荷的方式代替以上各岩层。

3.2 结果讨论与分析

根据15110工作面实际尺寸，在数值模型中对15＃煤层进行动态仿真回采，考察15110工作面上覆岩层内因工作面采空引发的应力重新分布情况。图1为采场应力分布云图，可以看出，工作面中部出现了最大程度的应力集中现象，应力升高系数达2.6。在同一水平面上，应力随远离工作面中部而逐渐降低，在工作面边缘处应力升高系数已明显衰减至1.4。随着在倾斜方向上进一步远离工作面，应力再次升高，表明此种情况下采用外错式巷道布置方式不合理，初步确定巷道的空间布置方式为内错式，且水平方向上位于15110工作面顶板上方及工作面边缘内侧。

图1 15110工作面采场应力分布云图

对于垂直方向，图1表明应力随层位升高而显著降低，煤层直接顶处的应力升高系数约为1.7，基本顶处的应力升高系数约为1.4，继续升高20m后可衰减至原岩应力值。一般而言，巷道应尽量布置于应力降低区，以保证其能够完整服务于下位煤层工作面的瓦斯抽采。此外，15＃煤层基本顶厚度较大，岩性变化较为均匀，易于岩石巷道的掘进与支护。同时，考虑到钻孔钻进与抽采成本，顶抽巷与工作面距离不宜过大。因此，确定该内错式瓦斯顶抽巷在垂直方向上位于15＃煤层基本顶内。

基本顶主要岩性为砂质泥岩，其上方岩层为细砂岩，质地相对砂质泥岩较硬，便于支护系统中的锚索与锚杆发挥有效的悬吊作用，提高顶抽巷围岩的整体稳定性，可在砂质泥岩层内沿顶掘进该巷道。考虑到上方细砂岩硬度较大，掘进机施工成本提高、施工效率降低，因此可留有一定的富余空间。综合上述考虑，本研究拟将15110顶抽巷布置于工作面侧向边界邻近内部，与煤层顶板相距7m～9m。

4 结语

本研究根据阳煤集团平舒煤矿15110工作面工程地质情况，为服务于该工作面的顶板瓦斯抽采巷进行空间位置确定，通过数值模拟的方式对工作面采场应力分布特征进行分析，并通过计算不同水平与垂直位置的应力升高系数筛选较优方案，同时，考虑岩巷掘进与经济成本等因素，最终确定15110工作面顶板瓦斯抽采巷采用内错式布置方式，与工作面侧向边界相邻，并距工作面顶板7m～9m。