兴峪煤矿15501工作面高抽巷合理位置应用研究_马珍选(1).pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 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 115 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 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 ） 摘要为了解决兴峪煤矿 15501 综放工作面总计风排瓦斯能力达不到实测工作面瓦斯涌出量要求 的问题， 通过理论计算、 数值模拟等研究手段合理的设计高抽巷的层位， 解决了瓦斯浓度过高的问题， 取得了良好的抽采效果， 也为该矿其他回采工作面进行瓦斯抽采设计时提供了参考实例。 关键词 特厚煤层 综放开采 高抽巷 数值模拟 中图分类号 TD712.6文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0049-03 Study on the reasonable position of high suction roadway in 15501 working face of xingyu coal min MA Zhenxuan Yangquan Coal Industry Group Xingyu Coal Industry Co., Ltd. ， Yuxian 045100 ， China Abstract In order to solve the xing meiyukou coal mine gas drainage ability to reach a total of 15501 fully-mechanized sublevel caving mining working face wind measured working face gas emission requirements of the problem, through the theoretical calculation, numeri- cal simulation research means such as reasonable design high alley pumping horizon, solved the problem of the gas concentration is too high, has obtained the good extraction effect, also for other working face the mine gas extraction design provides a reference for instance. KeywordsExtra-thick coal seam； fully-mechanized caving mining； high suction roadway； numerical simulation 顶底板 名称 岩石名称 厚度 m 岩石 级别 普氏 硬度 （f ） 岩性特征 老 顶K2 石灰岩2.80Ⅲ8 性硬， 厚层状， 方解石脉充填 裂隙， 泥质含量较大。 老 顶黑色泥岩4.99Ⅳ25 性软， 断口成平坦状， 偶见植 物根茎化石。 老 顶K2 石灰岩3.93Ⅲ8 性硬， 含海象动物化石， 裂隙 被方解石脉充填。 直接底黑色泥岩2.54Ⅳ23 性脆， 断口参差状， 含植物根 茎化石。 老 底 灰色细砂 岩 2.40Ⅳ6 成分以石英为主， 其次长石及 黑色矿物， 分选磨圆好， 泥质 胶结， 缓波状层理。 49 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 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 H冒 100m 4.7m2.9 2.2（1 ） 裂隙带高度 H裂 100m 4.7m2.9 5.6（2 ） 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 HsHd（煤层厚度≤3m ）（3 ） HsλHd（煤层厚度 ＞3m ）（4 ） 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 Hs 冒 λ 100m 4.7m2.9 -2. （） 2 1.2 1006.8 4.76.82.9 -2. （） 2 20.76m Hs 裂 λ 100m 1.6m3.6 -5. （） 6 1.2 1006.8 1.66.82.9 -5. （） 6 52.49m 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 50 ChaoXing （上接第 48 页） 发冲击地压的典型微震特征[J].煤炭学报,2016,41 （12） 3008- 3014. [4] 窦林名,李振雷,张敏.煤矿冲击地压灾害监测预警技术研 究[J].煤炭科学技术,2016,44 （7） 41- 46. [5] 齐庆新,窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州中国矿业 大学出版社2008. [6] 冲击矿压巷道围岩稳定性控制研究现状及进展[J].煤炭 学报,2006,48- 13. [7] 王联合,武光辉,苏振国,等.褶曲构造带附近掘进巷道矿 震规律研究[J].煤矿安全,2015,46 （2） 40- 42. [8] 原德胜,韩拴祥,武光辉.胡家河矿井掘进工作面动力显现 机理及防治研究[J].煤矿开采,2014,19 （4） 103- 105. 作者简介 吕大钊 （1983 - ） ， 男， 河南驻马店人， 高级工程师， 长期 从事煤矿采矿与安全技术管理工作。 （收稿日期 2019- 05- 20） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 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。 参考文献 [1] 李桓宇. 余吾煤业 S1206 工作面从 “双 U” 到 “U 高抽巷” 布置的探索[D].太原理工大学,2018. [2] 韩昌良. 沿空留巷围岩应力优化与结构稳定控制[D].中国 矿业大学,2013. [3] 靳晓华,张翔,王娟.综放面高抽巷抽采效果影响因素分析 及优化[J].煤炭技术,2018,37 （08） 149- 151. 作者简介 马珍选 （1984 年 6 月 20 日 -） ， 男， 汉族， 山西大同人， 函 授本科， 助理工程师， 项目经理助理， 研究方向 通风工程。 （收稿日期 2018- 11- 13） 垂直距离 （m ） 高抽巷抽采瓦斯浓度 （ ） 上隅角瓦斯浓度 （ ） 抽采瓦斯纯量 （m3/min ） 56.320.5623.36 108.360.6228.36 157.640.6927.4 205.880.7324.6 51 ChaoXing