宏巖煤礦綜放工作面高抽巷合理層位布置研究

廉振山，張 禮

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

隨著煤礦開(kāi)采工藝的進(jìn)步和機(jī)械化程度的提高，綜采放頂煤技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，而其開(kāi)采過(guò)程中工作面上隅角及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯超限問(wèn)題，極大地制約了安全高效生產(chǎn)、危及了人員的安全[1]。隨著抽采技術(shù)的發(fā)展，在工作面上方布置走向高抽巷進(jìn)行瓦斯抽采，是一種有效的治理上隅角瓦斯超限的方法，而高抽巷布置的層位選擇，對(duì)于其抽采效果起到了關(guān)鍵性的作用[2-3]。

婁金福[4]以覆巖采動(dòng)裂縫形成的“O”型圈理論為指導(dǎo)，研究了高抽巷布置分別在頂板不同高度的層位上時(shí)，其與回風(fēng)巷水平距離以及與切眼間距離之間的相互關(guān)系。李迎超[5]等通過(guò)Fluent軟件對(duì)瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了高抽巷空間布置與抽采參數(shù)之間的相互影響。周華東[6]等結(jié)合頂板采動(dòng)破斷規(guī)律，提出了初采期間高抽巷的布置方案。李勝[7]等通過(guò)修正經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行理論計(jì)算，利用FLAC3D模擬頂板覆巖運(yùn)動(dòng)，結(jié)合鉆孔流量法現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和巷道應(yīng)力、巖層垮落角的分析，得到了高抽巷垂距和水平錯(cuò)距。本文采用理論計(jì)算和UDEC數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)宏巖煤礦10101首采綜放工作面頂板高抽巷的合理層位布置進(jìn)行了分析研究。

1 工作面概況

宏巖煤礦10101工作面為首采區(qū)的首采工作面，開(kāi)采9+10煤，平均埋深300m，平均厚度5.76m，平均傾角6°，堅(jiān)固性系數(shù)f=2～3，采用綜采放頂煤工藝，工作面長(zhǎng)度180m，采用雙巷布置，分別為進(jìn)、回風(fēng)巷。根據(jù)分源預(yù)測(cè)法可知，回采工作面瓦斯涌出中，本煤層瓦斯涌出占90.2%，鄰近層瓦斯涌出占9.8%。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，9+10煤直接頂板為細(xì)砂巖，基本頂為石灰?guī)r、泥巖互層，直接底為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖；基本底為泥巖。10101工作面煤層綜合柱狀如圖1所示。

圖1 10101工作面煤層綜合柱狀

2 工作面覆巖破壞高度理論

2.1 覆巖采動(dòng)變形破壞形態(tài)分布

煤層受采動(dòng)破壞后，周圍巖層隨之由下至上、由前到后逐漸破壞發(fā)展，一般將采場(chǎng)覆巖由下至上劃分為垮落帶、裂縫帶和彎曲帶，由前到后形成煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。隨著工作面的推進(jìn)，會(huì)在采空區(qū)四周形成一個(gè)連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，即“O”形圈。高抽巷就是將巷道布置在裂縫帶和“O”形裂隙圈影響范圍內(nèi)，以達(dá)到抽放采空區(qū)高濃度瓦斯的目的[8-9]，如圖2所示。

圖2 覆巖破壞發(fā)育形態(tài)分布

2.2 采動(dòng)裂隙高度發(fā)育的離散性

采動(dòng)裂隙帶的高度受覆巖結(jié)構(gòu)與巖層厚度的影響，并具有離散性，表現(xiàn)為兩個(gè)方面：在層面方向上，裂隙的分布具有離散性；在高度方向上，上限處裂隙具有導(dǎo)通性。因此，當(dāng)采高增大時(shí)，采動(dòng)裂隙高度的增加卻不是按照裂采比的倍數(shù)關(guān)系連續(xù)增加的，而是以上覆巖層的厚度值為步距分段增加的，這就決定了采動(dòng)裂隙高度的發(fā)育具有離散性，如圖3所示。

圖3 采動(dòng)裂隙帶離散性發(fā)育示意

2.3 高抽巷層位高度的理論確定

高抽巷層位的確定，需考慮瓦斯抽放的效果，應(yīng)布置在受采動(dòng)范圍影響小，且瓦斯涌出密集的區(qū)域。因此，高抽巷的層位確定在垮落帶之上、裂縫帶中下部為宜，即高抽巷層位高度Hz應(yīng)滿足Hm

(1)

(2)

式中，Hz為高抽巷層位高度，m；Hm為垮落帶高度，m；Hl為裂縫帶高度，m；h為煤層采高，m；R為巖石碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；a，b，c為待定常數(shù)。

根據(jù)宏巖煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采高h(yuǎn)為5.76m，垮落巖石平均碎脹系數(shù)k取1.25，煤層傾角α為6°，煤層上覆巖層以中硬巖層為主，故待定常數(shù)a，b，c分別為1.6，3.6，5.6。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)和(2)得到垮落帶理論高度為23m，裂縫帶理論高度范圍為39.3～50.5m。所以，高抽巷層位理論高度應(yīng)布置在23～50.5m之內(nèi)。此范圍為理論計(jì)算所得，需要借助于數(shù)值模擬進(jìn)一步確定。

3 高抽巷層位高度的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計(jì)算原理

模擬實(shí)驗(yàn)采用的UDEC4.0軟件能很好地模擬煤層開(kāi)挖后頂板垮落、離層的過(guò)程，可以較準(zhǔn)確地分析圍巖性質(zhì)、采動(dòng)影響、支護(hù)特征等因素對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

3.2.1 初始模型的建立

考慮煤層傾角較小，計(jì)算模型設(shè)為水平模型，模型尺寸為130m×300m，為平衡邊界影響巷道兩側(cè)各留30m煤柱，模型上覆巖層通過(guò)施加垂直應(yīng)力實(shí)現(xiàn)。采用摩爾-庫(kù)倫模型，模型深300m，上邊界施加7.5MPa的垂直應(yīng)力，重力加速度為10m/s2。依據(jù)相鄰礦井巖石力學(xué)參數(shù)和礦方的資料確定了巖石物理力學(xué)參數(shù)，本次采用的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 主要煤巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表1中各煤巖的物理力學(xué)參數(shù)，利用UDEC4.0計(jì)算模擬軟件建立的初始力學(xué)模型如圖4所示，與實(shí)際工作面長(zhǎng)度和布置方式一致。圖中包含4，5，6和9+10煤4組煤。其中5煤距離4煤11.4m；6煤距離5煤10.06m，距離L4石灰?guī)r6.85m；9+10煤距離6煤36.69m，距離L4石灰?guī)r21.22m，平均埋深300m。

圖4 初始計(jì)算模型

3.2.2 模型運(yùn)算

計(jì)算模型按照宏巖煤礦實(shí)際情況進(jìn)行，首先開(kāi)挖4煤，待運(yùn)算平衡后再進(jìn)行巷道和9+10煤的開(kāi)挖。按綜采放頂煤的工作面采出率不低于85%計(jì)算，模擬采煤高度為5m。模型開(kāi)挖過(guò)程中設(shè)置了3條測(cè)線，共計(jì)54個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 4煤開(kāi)采頂?shù)装逦灰坪蛻?yīng)力變化

4煤開(kāi)采后在頂?shù)装宕怪狈较虻奈灰迫鐖D5所示。模型所包含的4煤上方29.6m頂板垂直位移在1m左右，處于裂縫帶范圍；下方10m范圍內(nèi)的底板位移量為0.08m左右，位移量較小。

圖5 4煤采動(dòng)頂?shù)装宕怪狈较蛭灰?/p>

4煤開(kāi)采后的垂直應(yīng)力如圖6所示。4煤開(kāi)采后對(duì)底板及下部巖層起到了卸壓作用，使得9+10煤所受垂直應(yīng)力有所降低。

圖6 4煤采動(dòng)巖層垂直應(yīng)力

3.3.2 9+10煤開(kāi)采上覆巖層移動(dòng)破壞特征

從圖7中可以明顯看出，9+10煤開(kāi)采后位于頂板的L4石灰?guī)r以下的巖層全部垮落，L4石灰?guī)r上部的巖層彎曲破壞比較明顯?；仫L(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷變形破壞嚴(yán)重。9+10煤底板出現(xiàn)明顯底鼓。具體的垮落帶、裂縫帶高度需要通過(guò)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)一步確定。

圖7 9+10煤采動(dòng)覆巖破壞特征示意

3.3.3 測(cè)線位移分析

模擬計(jì)算平衡后，設(shè)置的測(cè)線的計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。從所布置測(cè)線的各測(cè)點(diǎn)垂直位移曲線圖中可以看出：

圖8 測(cè)線1各測(cè)點(diǎn)的垂直位移

圖9 測(cè)線2各測(cè)點(diǎn)的垂直位移

圖10 測(cè)線3各測(cè)點(diǎn)的垂直位移

(1)9+10煤開(kāi)采后處于同一水平的測(cè)點(diǎn)1，21，41位移量均為4.9m左右，即中砂巖直接頂全部垮落。其余各水平測(cè)點(diǎn)中，位于工作面中部測(cè)點(diǎn)的位移明顯大于位于工作面兩端各測(cè)點(diǎn)的位移。這主要由于兩組測(cè)點(diǎn)位于工作面的兩端，兩端頭的頂板在煤柱的支撐下沒(méi)有完全垮落下來(lái)，所以頂板下沉量會(huì)小于中部測(cè)點(diǎn)。

(2)對(duì)于同一豎向測(cè)線，測(cè)線1上除去測(cè)點(diǎn)1其余各測(cè)點(diǎn)的垂直位移量集中在2.0m左右；測(cè)線2上測(cè)點(diǎn)22垂直位移量為5.21m，測(cè)點(diǎn)23垂直位移量為4.54m，其余各測(cè)點(diǎn)位移量集中在4.5m左右；測(cè)線3上測(cè)點(diǎn)42垂直位移為2.26m，其余各點(diǎn)位移量集中在1.7m左右。經(jīng)分析可知測(cè)點(diǎn)2，3，22，23，42，43處于基本頂?shù)姆秶?，處于垮落帶，垮落帶高度約為21m左右。

(3)對(duì)于裂縫帶高度可參考圖9測(cè)線2的垂直位移量，測(cè)點(diǎn)24及以上各測(cè)點(diǎn)垂直位移多集中在4.2m左右，一并結(jié)合圖11覆巖垂直位移圖可明顯看出，9+10煤的裂縫帶高度大于62m，已達(dá)到4煤的采空區(qū)，與4煤的垮落帶、裂縫帶相通。9+10煤開(kāi)采后的垂直應(yīng)力分布情況如圖12所示。圖13為采動(dòng)后的切向位移圖，深色區(qū)域?yàn)閹r層切向位移超過(guò)1m的區(qū)域，由圖13可看出在工作面中間頂板的切向位移量最小，兩端頂板切向位移量較大，橫向裂隙較為發(fā)育。

圖11 9+10煤采動(dòng)上覆巖層垂直位移示意

圖12 9+10煤采動(dòng)垂直應(yīng)力

圖13 9+10煤采動(dòng)切向位移

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)工作面覆巖破壞高度和高抽巷層位理論分析計(jì)算，垮落帶理論高度為23m，裂縫帶理論高度范圍為39.3～50.5m，高抽巷層位理論高度應(yīng)布置在23～50.5m的范圍之內(nèi)。

(2)模擬計(jì)算結(jié)果表明，9+10煤采動(dòng)后頂板位移量從工作面中間向工作面兩端不斷減小，下部巖層位移量大于上部巖層位移量，頂板裂隙發(fā)育；9+10煤采動(dòng)后L4石灰?guī)r以下的巖層全部垮落，垮落帶發(fā)育高度為21m左右。L4石灰?guī)r上部的巖層彎曲破壞比較明顯，回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷變形破壞嚴(yán)重。

(3)根據(jù)覆巖移動(dòng)規(guī)律和瓦斯流動(dòng)規(guī)律，裂縫帶中下部裂隙發(fā)育充分，是抽采瓦斯的最佳層位，根據(jù)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，保證施工效率，高位鉆孔和高抽巷的開(kāi)設(shè)多布置在裂縫帶中下部的軟弱巖層中，結(jié)合本礦的實(shí)際情況建議布置在6煤中。

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