趙莊礦1307工作面走向高抽巷合理層位研究

劉洪明

(山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046600)

1 1307工作面概況及高抽巷抽采瓦斯原理

1.1 1307工作面概況

趙莊礦1307工作面走向長2 800 m，傾向長220 m，平均煤厚4.5 m，可采儲量為345萬t。工作面采用U型通風，共布置3條巷道，13071巷、13073巷為進風巷，13072巷為回風巷。

1.2 走向高抽巷抽采瓦斯的原理

隨著工作面頂板周期性垮落，采空區(qū)深部大部分垮落帶內(nèi)巖石由于底板的支撐作用及上部巖層的重力作用，高層裂隙變窄，空隙變小，最終逐漸被壓實，而受到遺留煤柱支撐作用，煤柱四周巖石壓縮程度小于采空區(qū)中部，就會在采空區(qū)四周形成一個“O”形圈，使得采空區(qū)氣體可以相互補充?！癘”形圈內(nèi)部存儲了大量的高濃度瓦斯，該區(qū)域為頂板瓦斯的富集區(qū)，即為采空區(qū)內(nèi)部瓦斯儲存流動場所。如圖1所示。

圖1 采空區(qū)“O”形圈分布

井下卸壓瓦斯抽采主要是利用受采動影響后，煤巖體裂隙發(fā)育，煤層透氣性增加，瓦斯運移的通道增多，在抽采負壓作用下，被抽采系統(tǒng)抽走，鄰近層瓦斯主要通過高抽巷或高位鉆孔抽出。常用的走向高抽巷如圖2和圖3所示。

圖2 走向高抽巷抽采瓦斯示意圖

圖3 1307高抽巷剖面示意圖

高抽巷通常情況下是在采區(qū)回風巷內(nèi)以一定角度在施工一段穿層斜巷，直到走到煤層頂板上高抽巷的設(shè)計層位，在掘進過程中不斷探測高抽巷的層位保證高抽巷能夠始終與預采煤層頂板保持一定的距離，避免層位超高或過低影響抽采效果，高抽巷應(yīng)與工作面回風巷保持一定的水平距離，這個距離不能過小，過小可能由于應(yīng)力作用巷道密閉性不好，抽采濃度低。

2 1307高抽巷層位確定方法

高抽巷應(yīng)該布置在工作面頂板上部的裂隙帶的中下部，但是不同礦井工作面上覆巖層“三帶”的分布不同，不能一概而論，為了將高抽巷布置的更加合理，確保抽采效果，趙莊礦1307高抽巷采取經(jīng)驗公式計算來確定工作面上覆巖層“三帶”的高度分布，來確定高抽巷的層位。

1) “三帶”理論公式計算方法一

垮落帶的高度：

H1=M/(K-1)

(1)

式中：H1為沿煤層方向冒落帶的高度，m；M為回采層厚度，m；K為垮落帶巖石碎漲系數(shù)，取1.3。

根據(jù)上式，計算得出1307工作面垮落帶高度為H1=4.6～6.1/(1.3-1)=15.3 m～20.33 m。

裂隙帶的高度：

H2=100M/(2M+3)+6

(2)

式中：H2為裂隙帶沿煤層法向的高度，m；M為回采層厚度，m。

根據(jù)上式，計算出1307工作面裂隙帶的高度為：H2=100(4.6～6.1)/[2(4.6～6.1)+3]+6=43.7 m～46.1 m。

2) “三帶”理論公式計算方法二

用《建筑物、水體、鐵路及主用井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)驗公式進行計算，具體垮落帶和裂隙帶的計算公式如表1所示。

表1 “三帶”高度理論計算公式

該公式煤層采高在3 m以內(nèi)的覆巖裂隙帶高度與現(xiàn)場實測吻合程度很高，當煤層采高>3 m時，實測裂隙帶高度約為經(jīng)驗公式中較大計算值的1.3～1.5倍。因此修正后的裂隙帶高度計算式為：

Hs=λHd(采高M>3 m)

(3)

式中：Hs為修正后的冒落帶、裂隙帶理論高度，m；Hd為冒落帶、裂隙帶高度判別公式；為修正系數(shù)，一般取 1.3～1.5；M為煤層采高。

裂隙帶高度范圍計算分析：根據(jù)趙莊礦3#煤層頂?shù)装鍘r性可知，該煤層頂板屬于中硬巖層，按照上述冒落帶與裂隙帶中的中硬巖層的判別公式可知：

冒落帶的計算公式為：

(4)

裂隙帶的計算公式為：

(5)

3#煤層煤層平均厚度為5.5 m，再結(jié)合式(3)可知：

Hs冒=λ100M4.7M+2.9+2.2=1.3×100×5.54.7×5.5+2.9+2.2=27.73

Hs裂=λ100M1.6M+3.6+5.6=1.3×100×5.51.6×5.5+3.6+5.6=64.9

因此，依據(jù)上述理論判別公式，計算結(jié)果表明：趙莊礦1307工作面冒落帶最大高度范圍為27.73 m，裂隙帶最大高度范圍為64.9 m，即裂隙帶的高度范圍約為 27.73 m～64.9 m。

根據(jù)理論公式的計算得出裂隙帶的高度范圍，趙莊礦1307高抽巷在1104巷內(nèi)進行開口，巷道與13072巷的水平距離為34 m，層位選在距工作面煤層頂板30 m～62 m。通過工作面回采期間的抽采效果分析，來確定高抽巷最佳的合理層位。

3 1307走向高抽巷抽采情況分析

高抽巷的層位合理與否直接影響著高抽巷的抽采效果，層位適不適合主要還的從高抽巷抽采期間系統(tǒng)的濃度、負壓、抽放量變化情況來分析。當高抽巷處于冒落帶內(nèi)時，由于密閉性差，系統(tǒng)的濃度低、負壓低、流量大；當高抽巷處于裂隙帶時，巷道密閉性好，系統(tǒng)的濃度高、負壓高、流量小，抽采效果好。

3.1 高抽巷抽采純量分析

按照抽放純量在35 m3/min以上算抽采效果較好來看，從高抽巷抽放純量隨高抽巷層位的變化曲線可以看出，高抽巷層位在40 m～60 m之間時，抽放純量都在35 m3/min以上；當高抽巷層位在43 m時，系統(tǒng)抽采純量能達到37.5 m3/min，系統(tǒng)濃度13.2%；高抽巷層位在48 m左右時，系統(tǒng)抽采純量為47 m3/min，系統(tǒng)濃度15.4%；高抽巷層位達51 m左右時，系統(tǒng)抽采純量為47.6 m3/min，系統(tǒng)濃度15.6%。

隨著高抽巷層位的增加(43 m→48 m→51 m)，瓦斯抽采純量也逐漸增大(37.5 m3/min→47 m3/min→47.6 m3/min)，當純量為47.6 m3/min時，基本達到高抽巷抽采以來的最大峰值?？梢?，高抽巷的最佳層位應(yīng)該在43 m～51 m之間，此時抽采效果最好，對應(yīng)的抽采純量為37.5 m3/min～47.6 m3/min。具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 高抽巷抽放純量與層位之間的關(guān)系

3.2 高抽巷抽采濃度分析

如圖5所示，在工作面回采初期工作面回采進度較慢，采空區(qū)頂板未跨落，高抽巷與采空區(qū)的裂隙不發(fā)育，但由于高抽巷迎頭向工作面切眼上方施工的有鉆孔，高抽巷主要抽采的是煤體的卸壓瓦斯，所以初期瓦斯?jié)舛容^低。從圖4中可以清晰的看出，高抽巷層位在38 m～60 m之間時，高抽巷的濃度相對較穩(wěn)定，基本在10%以上，故從高抽巷濃度分析情況來看，高抽巷的最佳層位應(yīng)在38 m～60 m。

圖5 高抽巷抽采濃度與層位之間的關(guān)系

3.3 高抽巷抽采負壓分析

從圖6可以看出：

1) 隨著工作面的推進，采空區(qū)不斷的垮落，頂板裂隙發(fā)育，采空區(qū)與高抽巷逐步溝通，當工作面推過高抽巷迎頭53 m，層位30.6 m時，高抽巷與采空區(qū)的裂隙增加，高抽巷負壓由31 kPa降至13 kPa，當工作面推過高抽巷迎頭100 m時，負壓由開始的31 kPa降至3 kPa，采空區(qū)與高抽巷完全溝通，流量和濃度均大幅上升。

2) 隨著工作面的推進，高抽巷的濃度不斷變化，其中在工作面推進936 m～1 319 m時濃度相對較高較穩(wěn)定維持在10%以上，而且此時的系統(tǒng)標況流量在300 m3/min左右，此時的負壓在5 kPa～7 kPa。

3) 隨著工作面的不斷推進，高抽巷的抽采負壓趨于穩(wěn)定，在5 kPa～9 kPa波動。

綜上，通過流量、濃度、抽放純量的變化曲線來看，高抽巷的最佳負壓在5 kPa～7 kPa。

圖6 高抽巷純量、標況流量、負壓、濃度隨工作的推進距離的變化曲線

4 結(jié)語

通過高抽巷不同層位的抽采效果分析來看，1307高抽巷的合理層位在43 m～51 m，最佳負壓在5 kPa～7 kPa。