综采工作面高位抽放巷的研究与应用

周 宇 胡跃勇 陶孟德

（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）

红阳三矿西一718 采煤工作面最大采深-915.9 m，所采7 煤为复合煤层，上覆6 煤为3 层复合不可采煤层，与7 煤层间距平均为18.4 m。7 煤在回采过程中，存在工作面上隅角及工作面瓦斯超限的安全隐患。

根据矿井本采区已采相同煤层邻近工作面实测可知，6 煤层释放出的瓦斯是影响上隅角及工作面液压支架架间瓦斯浓度的主要来源，因此控制6 煤释放到工作面的瓦斯是关键。

1 工程概况

西一718 采煤工作面最大采深-915.9 m，运回顺落差10.3 m，所采煤层为复合煤层7 煤，由7-1 煤、7-2 煤和7-3 煤组成。7-1 煤平均厚度0.3 m；夹矸泥岩，平均厚0.65 m；7-2 煤平均厚0.5 m；夹矸泥岩，平均厚0.15 m；7-3 煤平均1.10 m。7-1 煤直接顶为泥岩，厚度11.2 m；基本顶为细砂岩，厚度7.6 m。上覆6 煤，3 层复合煤层，总计煤厚平均1.25 m，三层夹矸总厚平均4.15 m，不可采煤层，与7 煤层间距平均为18.4 m。基本顶为5.8 m 厚的粉砂岩，直接顶为8.7 m厚的泥岩，老顶为8.7 m厚的细砂岩，其坚固系数f=5～6。

该工作面煤层层理发育，共有断层25 处，落差小于1.0 m的断层有18条，落差大于1 m的有7条。围岩富水性弱，围岩正常涌水量1 m3/h。工作面采用走向长壁后退式开采， U 型通风。工作面运顺侧间距平均20 m 外有一落差5 m 的平行于运顺的断层，间隔100 m 的煤柱外侧为倾斜长壁回采工作面采空区。

2 瓦斯来源分析

回采期间主要是本煤层及邻近6 煤层释放的瓦斯涌入工作面，实测瓦斯相对涌出量3.15～3.66 m3/t，回采期间7 煤最大绝对瓦斯涌出量为9.52 m3/min。根据本区已采相同煤层邻近工作面测算出，6 煤层最大绝对瓦斯涌出量为6～6.4 m3/min。涌入工作面的瓦斯量总计15.52～15.92 m3/min。7 煤为全采煤层，不留顶底煤，采空区无遗煤。从数据分析来看，6煤层释放出的瓦斯是影响上隅角及工作面液压支架架间瓦斯浓度的主要来源，因此控制6 煤释放到工作面的瓦斯是关键。

3 高位抽放巷设计

回采工作面采后，会在采空区垂直方向形成三带：垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。利用裂隙带内受采动影响形成的裂隙对采空区内的瓦斯进行抽放，如图1。

图1 西一采区718 工作面高位抽放巷作用机理剖面图（m）

高位巷最佳的位置是保证能够对采空区瓦斯尽早进行抽放，并且进入采空区内的抽放巷保证有效抽放作用时间，最佳的抽放效果是使采空区瓦斯不向或者少量向工作面涌出。正常回采过程中上隅角及回风顺槽不出现瓦斯超限。基于以上设计要求，高位巷布置在细砂岩中，断面7.8 m2，水平方向置于回风顺槽内侧30 m 处，西一718 工作面回采垮落带高度确定为11 m，将高位巷布置在裂隙带中下部，高于7 煤顶板20～28 m，且贯穿整个回采推进段。巷道注砂封闭段距停采线大于70 m，如图2、图3。

图2 西一采区718 工作面高位抽放巷布置平面图

图3 西一采区718 工作面高位抽放巷布置剖面图（m）

层位高差布置考虑到的是使高位巷处于裂隙带内，保持在6 煤顶板上方，设计与6 煤间距保持在5 m 左右，且裂隙带出现裂隙后较早和较长时间发挥抽放作用。从开采之初即让高位巷起到抽放作用，因此抽放巷贯穿整个回采推进块段，距工作面切眼100 m 范围内层间距降到20 m，降低了与7 煤层间距，初采采空区 “三带”形成的比较晚，裂隙带更靠近工作面，降低抽放巷与工作面的高度，可以提高对6 煤抽放效果。

4 高位抽放巷的应用对比分析

高位抽放巷在西一718 工作面实际应用对比分析，见表1。

表1 西一718 工作面高位抽放巷在实际应用对比分析表

工作面在老顶初次来压期间综合抽放率为53%，其中高位巷的抽放量是高位钻孔的1.3 倍。在裂隙带完全形成高位钻孔停抽时高位巷抽放率达到55%，且上隅角的瓦斯浓度远没有达到超限值。通过分析对比发现高位巷初抽时期的层位关系选择没有达到理想状态，还需调整；正常回采时期高位巷在降低抽放压力的情况下比使用高位抽放钻孔的抽放效果好30%。高位巷抽放期间采空区的瓦斯向工作面只有少量的涌出，对回风顺槽瓦斯浓度影响微乎其微。需要注意的是尽管上隅角瓦斯不超限，但是瓦斯浓度值大于液压支架架间的瓦斯，高位巷与回风顺槽的水平距在今后还应合理调整，力争取消采空区埋管抽放后，上隅角瓦斯也能得到合理控制。

5 高位巷吸能研究与效果

5.1 高位巷顶板预裂及吸能分析

当煤岩体内积聚能量达到一定程度释放时，会迅速向四周煤岩体传播，能量在传播过程中没有得到足够的损耗，就可能发生冲击地压。减少冲击地压的发生主要从两方面入手：一是防止较大能量的积聚和瞬时释放；二是能量在释放过程中得到足够消耗或者转移。

（1）采空区顶板预裂

西一718 工作面根据采空区顶板冒落“三带”层位关系及顶板坚硬程度分析，有两层顶板可能形成冲击地压危险，高位瓦斯抽放巷正好位于这两层坚硬顶板的中间位置，对其上下坚硬顶板形成一个剪切面，水平方向的布置利用煤柱保护卸压角理论计算可知，与煤柱相距30 m 是采动应力集中区。利用“胡克定律”判定可知，受采动影响产生的集中应力正好作用在高位抽放巷的顶、底板上，高位抽放巷自由空间面的形成，消除了坚硬顶板的屈服条件使其无法形成弹性变形，在力的作用下其形变为塑性变形，能够加快采空区老顶变形、断裂，不致形成大面积悬空的弯曲下沉带，提前破坏了顶板完整性，使顶板冲击能量无法积聚。西一718 工作面回顺侧巷道在回采过程中基本没有大于200 mm的变形，实际情况也证明了采空区老顶因为高位抽放巷剪切面的形成及时发生了断裂，对距离高位抽放巷近侧的工作面以外巷道没有造成较大破坏，说明采空区顶板没有出现应力集中。

（2）冲击能量的吸收

微震能量发生时，能量在传导过程中，将对高位抽放巷形成一次冲击。根据能量守恒定律可知，力在经过高位抽放巷时会对巷道围岩及支护造成破坏，与此同时巷道的破坏变形也会对冲击力有一个阻尼作用，能量会有一定程度的损耗，大大地降低了大能量冲击波作用在工作面和回采巷道上，保护了巷道的完好性，同时也就充分说明了高位抽放巷具有一定的吸能作用。

5.2 冲击地压能量监测及效果

西一718 工作面每10 组液压支架安装一台压力传感器，观测顶板压力情况。通过每班一次的液压支柱监测数据分析，除初次来压以外，工作面液压支架无因采空区老顶来压步距周期内形成的压力递增现象，说明采空区顶板破碎及时垮落，没有因保护煤柱支撑梁的存在形成大面积悬顶，也就无法形成有规律的周期来压。

在开采过程中没有发生一次1×105J 的能量事件，工作面附近仅发生3 次大于1×104J 能量事件，从实际效果来看高位抽放巷的使用对冲击地压能量事件的发生具有一定的缓解抑制作用。

6 结语

西一718 工作面采用高位瓦斯抽放巷治理瓦斯方案，通过设计合理的瓦斯治理巷层位，有针对性地提高了上煤层的瓦斯抽放效果，同时避免发生顺槽打瓦斯抽放钻孔与工作面回采平行作业。高位抽放巷正常抽放期间比使用高位抽放钻孔的抽放效果好30%，裂隙带完全形成高位钻孔停抽时高位巷抽放率达到55%，且上隅角的瓦斯浓度远低于限值，瓦斯治理效果良好，有效地解决了瓦斯抽采平衡问题。同时，高位抽放巷的使用，能够加快采空区老顶变形、断裂，提前破坏了顶板完整性，降低老顶断裂瞬时释放能量，对冲击地压能量事件的发生具有一定的缓解抑制作用。