王莊煤礦8110工作面高抽巷設(shè)計(jì)及效果分析

薛志興

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

8110工作面位于王莊井田+540 m水平，東為水庫(kù)禁采區(qū)，南為未采區(qū)域，西接540膠帶大巷，北為未采區(qū)域，工作面標(biāo)高+377～+522 m，所采煤層為3號(hào)煤層，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚度6.5 m，夾矸最厚一層為0.3 m，該工作面整體為一個(gè)由東向西傾斜的單斜構(gòu)造，局部有起伏，煤層傾角為1～11°。工作面主要充水因素為3號(hào)煤層上部頂板含水層和K8、K10號(hào)砂巖含水層水，正常涌水量為25～30 m3/h，最大涌水量50 m3/h。工作面設(shè)計(jì)運(yùn)巷長(zhǎng)3 650 m，風(fēng)巷長(zhǎng)3 580 m，工作面長(zhǎng)340 m，煤炭工業(yè)儲(chǔ)量約1 120萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量1 060萬(wàn)t，回采率為95%。按照設(shè)計(jì)，8110工作面日產(chǎn)量為9 000 t，相對(duì)瓦斯涌出量均值為8.1 m3/t，計(jì)算可得絕對(duì)瓦斯涌出量為50.63 m3/min。根據(jù)NB/T 51003——2012 《采煤工作面瓦斯綜合治理設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)采用高抽巷要求，8110工作面瓦斯絕對(duì)涌出量Q>50 m3/min，所以應(yīng)當(dāng)采取高抽巷、上隅角埋管、順層鉆孔預(yù)抽等瓦斯綜合治理措施[1]。

1 高抽巷瓦斯抽采機(jī)理

煤層采動(dòng)后，采空區(qū)上覆巖層因原有應(yīng)力平衡遭受破壞而形成“橫三區(qū)”、“豎三帶”，即沿工作面推進(jìn)方向在水平層位上，覆巖層分為煤體支撐影響區(qū)、離層區(qū)以及重新壓實(shí)區(qū)，垂直空間上覆巖由下至上分為垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶。采空區(qū)上覆巖層的位移變形成為各種形式裂隙發(fā)育的重要原因，而裂隙帶的存在為上覆巖層之間的瓦斯運(yùn)移提供了通道，為瓦斯存儲(chǔ)提供了空間條件，也為裂隙帶抽放高濃度瓦斯創(chuàng)造了條件[2-4]。

如果在裂隙帶內(nèi)布置高抽巷，在煤壁支撐影響區(qū)，煤層解吸變成的游離瓦斯在較高瓦斯壓力作用下將沿著垂直裂隙連續(xù)匯集到高抽巷內(nèi)。離層區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的層間離層及水平方向巖石間的相互擠壓鉸合，成為瓦斯流入高抽巷的通道，同時(shí)一定程度上具有阻止采空區(qū)低濃度瓦斯流入的作用。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，隨著工作面向前推進(jìn)，本煤層以及鄰近層(圍巖)瓦斯不斷向裂隙帶涌入。采空區(qū)冒落帶上方、裂隙帶下方、靠近回風(fēng)巷一側(cè)的離層帶內(nèi)是瓦斯富集區(qū)，也就是高抽巷布置的合理層位，如圖1所示[4]。

2 8110工作面高抽巷設(shè)計(jì)

2.1 高抽巷高度及水平距離確定

在進(jìn)行高抽巷層位選擇時(shí)，應(yīng)將其選擇在瓦斯涌出密集區(qū)，且滿足工作面回采后不會(huì)很快被破壞，因此高抽巷的適宜層位應(yīng)選擇在裂隙帶中下部、冒落帶上部[2-3]，其計(jì)算公式為：

Hz=Hm+△Hm

(1)

Hm

(2)

式中：Hz為高抽巷層位高度，m；Hm為冒落帶高度，m；△Hm為防止高抽巷破壞安全高度，取1～1.5倍采高，m；Hl為裂隙帶高度，m。

冒落帶理論高度Hm采用公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：h為采高，m；k為冒落巖石的平均碎脹系數(shù)；α為煤層平均傾角，(°)。

裂隙帶理論高度采用式(4)計(jì)算：

(4)

式中：a、b、c為待定常數(shù)，依據(jù)煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定，8110工作面煤層上覆巖層以中硬巖層為主，則取值a=1.6，b=3.6，c=5.6。

王莊煤礦8110工作面采煤方法為一次采全高方法，因此其采高為6.5 m，其頂板巖石為細(xì)粒砂巖，所以碎脹系數(shù)為1.25，煤層平均傾角為6°。將相關(guān)系數(shù)帶入公式(3)、(4)，得出冒落帶高度為26.15 m，裂隙帶頂部理論高度為40.8～52 m，則：8110工作面裂隙帶高度為26.15～52 m。由于高抽巷應(yīng)布置于裂隙帶中下部、冒落帶上部，防止高抽巷破壞安全高度△Hm為 6.5～9.75 m，因此王莊煤礦8110工作面高抽巷層位應(yīng)在32.65～52 m之間，結(jié)合潞安礦區(qū)的實(shí)際情況，建議將高抽巷布置在35～45 m之間。

為了保證高抽巷處于充分卸壓后的裂隙帶范圍內(nèi)，同時(shí)考慮到工作面通風(fēng)負(fù)壓動(dòng)力的影響，會(huì)造成場(chǎng)瓦斯向回風(fēng)側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，高抽巷與回風(fēng)巷水平投影距離L應(yīng)當(dāng)大于H/tgβ(H為高抽巷距煤層頂板距離，β為頂板巖石卸壓角，73°)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，水平投影距離為9.98～15.90 m，同時(shí)考慮防止高抽巷破壞安全距離，建議將平距定為22 m。

2.2 高抽巷連通切眼及密閉

初次來(lái)壓之前，煤層頂板不會(huì)垮落，一旦垮落，上下鄰近層(圍巖)以及本層大量瓦斯短時(shí)間內(nèi)大量涌入工作面，容易造成工作面瓦斯超限，這時(shí)僅僅依靠通風(fēng)難以立即稀釋大量瓦斯，在此期間，高抽巷無(wú)法起到抽采瓦斯的作用。因此，為保證高抽巷在初次來(lái)壓之前能夠發(fā)揮作用，設(shè)定由高抽巷向切眼施工3排排間距為1 m(每排2個(gè))、D94 mm的扇形鉆孔，并與切眼貫通。瓦斯較空氣比重小，切眼瓦斯會(huì)自動(dòng)涌入煤層頂板裂隙，通過(guò)高抽巷抽出，從而使高抽巷在初次來(lái)壓之前發(fā)揮作用。

施工結(jié)束后，8110工作面高抽巷內(nèi)不得有任何雜物和導(dǎo)電體，在距巷道口45 m巖石頂板較穩(wěn)定段施工兩道密閉墻，密閉墻周邊掏槽0.3～0.5 m，要見硬幫、硬底，中間充填水泥砂漿進(jìn)行密閉，并對(duì)密閉外5 m范圍內(nèi)巷道及墻體噴漿加固以保證不漏氣。

2.3 高抽巷最終設(shè)計(jì)

8110工作面高抽巷斷面為3 m×2.8 m，采用全錨網(wǎng)支護(hù)，與8110工作面風(fēng)巷垂直距離35～45 m，水平距離22 m，施工時(shí)建議先爬到層位36 m，然后爬坡到層位42 m處。高抽巷中密閉內(nèi)預(yù)留兩趟內(nèi)徑800 mm接抽管，高抽巷口到抽采泵抽采管路鋪設(shè)要與預(yù)留管路管徑相匹配，高抽巷瓦斯抽采泵裝機(jī)能力不得小于1 000 m3/min。8110工作面采用“單U型+高抽巷”通風(fēng)方式，工作面配風(fēng)量為3 900 m3/min。

3 8110工作面高抽巷抽采效果分析

8110工作面采用“采前預(yù)抽+高抽巷+裂隙帶預(yù)抽”瓦斯綜合治理方式，截止2017年12月18日，共統(tǒng)計(jì)高抽巷抽采64 d，高抽巷抽采純量在0.2～13.12 m3/min之間，高抽巷抽采濃度在0.2%～12%之間。其中抽采純量在10 m3/min以上的共計(jì)5 d，占抽采總天數(shù)的7%，抽采純量在4 m3/min以下的共計(jì)19 d，占抽采總天數(shù)的30%。

高抽巷抽采期間，工作面瓦斯涌出量均值為42.21 m3/min，瓦斯抽采量為19.17 m3/min，占瓦斯涌出量的45.5%。其中本煤層平均抽采純量為7.08 m3/min，高抽巷平均抽采純量5.70 m3/min，裂隙帶平均抽采純量6.39 m3/min；上隅角平均瓦斯?jié)舛?.31%，最大濃度0.82%，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.36%，最大濃度0.85%，見圖2。

圖2 8110工作面瓦斯涌出分布

4 結(jié)論與建議

高抽巷技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，成本投入較低，抽采方法安全可靠，采用高抽巷進(jìn)行瓦斯抽采，高抽巷抽采均量可以占工作面瓦斯涌出量的14%。采用高抽巷、本煤層預(yù)抽采孔、裂隙孔等對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行綜合治理，8110工作面瓦斯抽采量達(dá)到19.17 m3/min，占到瓦斯涌出總量的45.5%，極大降低了采煤工作面的瓦斯含量以及工作面的風(fēng)排瓦斯壓力，為工作面的安全開采提供了保證。

然而，8110工作面高抽巷仍有需要改進(jìn)的地方：

1) 8110工作面高抽巷是在一定的抽采能力前提下，混合流量已經(jīng)限制，目前還不能對(duì)高抽巷抽采效果進(jìn)行定論，仍需對(duì)高抽巷所處層位、抽采泵能力、配套抽采管路管徑等進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)。

2) 高抽巷應(yīng)當(dāng)封閉嚴(yán)實(shí)，保證不漏氣，施工時(shí)要做到封閉墻周邊掏槽，見硬幫、硬底，并且要施工雙層封閉，并注漿充填。