平舒煤礦15110工作面頂抽巷空間定位數(shù)值模擬研究

耿文亮， 董 凱

（山西陽(yáng)煤集團(tuán)平舒公司，山西 晉中 045400）

1 頂抽巷布置原理

在工作面附近巖層內(nèi)布置瓦斯抽采巷道已逐漸成為高瓦斯工作面回采時(shí)降低瓦斯?jié)舛鹊闹饕绞剑?］，根據(jù)空間位置不同可分為煤層頂板抽采巷（頂抽巷）與煤層底板抽采巷兩種布置形式，根據(jù)與工作面斜交方式不同亦可分為走向抽采巷與傾向抽采巷。其中，頂抽巷因位于瓦斯涌向工作面的必經(jīng)道路上，其抽采效率及經(jīng)濟(jì)效益更為突出。

頂抽巷的首次應(yīng)用可追溯至1992年陽(yáng)泉五礦的15＃煤層［2］，該巷取得的瓦斯抽采率達(dá)到了87%。隨后，陽(yáng)泉三礦也采取頂抽巷的方式解決了工作面上隅角瓦斯頻繁超標(biāo)問(wèn)題［3］。目前，通過(guò)布置頂抽巷控制工作面瓦斯?jié)舛鹊姆椒ㄒ言谕杭瘓F(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)、彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)等多個(gè)高瓦斯礦井得到良好的應(yīng)用，其成功案例為本礦井15110工作面頂板瓦斯抽采巷提供了可行性支持。

頂抽巷在空間位置選擇方面主要是根據(jù)被服務(wù)抽采工作面的采場(chǎng)礦壓分布情況，其根本因素受制于工作面埋深、開(kāi)采高度、工作面寬度及工作面走向／傾向布置方式等［4］。一般而言，頂抽巷應(yīng)位于煤層頂板的開(kāi)采卸壓區(qū)域，若與工作面距離過(guò)近，則巷道在超前支承壓力的影響下難以維護(hù)；若與工作面距離過(guò)遠(yuǎn)，則抽采鉆孔鉆進(jìn)長(zhǎng)度與抽采成本大幅增加，抽采效率同樣受到極大考驗(yàn)。因此，應(yīng)根據(jù)被服務(wù)抽采工作面實(shí)際工程地質(zhì)情況對(duì)頂抽巷空間位置進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2 15110工作面工程地質(zhì)情況

本研究根據(jù)陽(yáng)煤集團(tuán)平舒煤礦15110工作面實(shí)際工程地質(zhì)情況，對(duì)頂板瓦斯抽采巷進(jìn)行初步空間定位。15110工作面沿15＃煤層走向布置，該煤層埋深約530m，平均厚度4.38m，平均傾角6°，工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度933m，傾斜長(zhǎng)度200m。此外，現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果表明，15110工作面水文地質(zhì)情況較為簡(jiǎn)單，主要充水源自太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層，預(yù)計(jì)最大涌水量15m3／h，正常涌水量3m3／h。

3 開(kāi)采地質(zhì)體建模分析

3.1 數(shù)值模擬軟件選擇與模型建立

本研究采用一種適用于連續(xù)地質(zhì)體的數(shù)值模擬軟件FLAC3D。該軟件將宏觀采礦地質(zhì)體通過(guò)網(wǎng)格形式劃分為塊體；根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際工程地質(zhì)特征對(duì)具有不同巖性的巖層進(jìn)行參數(shù)（密度、體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與抗拉強(qiáng)度）賦值；并在Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)開(kāi)挖計(jì)算。

根據(jù)鉆孔柱狀，15＃煤層埋深相對(duì)較大，難以在數(shù)值模型中對(duì)煤層以上各巖層進(jìn)行細(xì)致描述，因此，建模時(shí)以15＃煤層基本底為模型底部邊界，以基本頂上方砂質(zhì)泥巖層及石灰?guī)r層為頂部邊界，模型水平尺寸為400m×400m（長(zhǎng)×寬）。由于模型頂部未達(dá)到地表，采用外加均布載荷的方式代替以上各巖層。

3.2 結(jié)果討論與分析

根據(jù)15110工作面實(shí)際尺寸，在數(shù)值模型中對(duì)15＃煤層進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真回采，考察15110工作面上覆巖層內(nèi)因工作面采空引發(fā)的應(yīng)力重新分布情況。圖1為采場(chǎng)應(yīng)力分布云圖，可以看出，工作面中部出現(xiàn)了最大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力升高系數(shù)達(dá)2.6。在同一水平面上，應(yīng)力隨遠(yuǎn)離工作面中部而逐漸降低，在工作面邊緣處應(yīng)力升高系數(shù)已明顯衰減至1.4。隨著在傾斜方向上進(jìn)一步遠(yuǎn)離工作面，應(yīng)力再次升高，表明此種情況下采用外錯(cuò)式巷道布置方式不合理，初步確定巷道的空間布置方式為內(nèi)錯(cuò)式，且水平方向上位于15110工作面頂板上方及工作面邊緣內(nèi)側(cè)。

圖1 15110工作面采場(chǎng)應(yīng)力分布云圖

對(duì)于垂直方向，圖1表明應(yīng)力隨層位升高而顯著降低，煤層直接頂處的應(yīng)力升高系數(shù)約為1.7，基本頂處的應(yīng)力升高系數(shù)約為1.4，繼續(xù)升高20m后可衰減至原巖應(yīng)力值。一般而言，巷道應(yīng)盡量布置于應(yīng)力降低區(qū)，以保證其能夠完整服務(wù)于下位煤層工作面的瓦斯抽采。此外，15＃煤層基本頂厚度較大，巖性變化較為均勻，易于巖石巷道的掘進(jìn)與支護(hù)。同時(shí)，考慮到鉆孔鉆進(jìn)與抽采成本，頂抽巷與工作面距離不宜過(guò)大。因此，確定該內(nèi)錯(cuò)式瓦斯頂抽巷在垂直方向上位于15＃煤層基本頂內(nèi)。

基本頂主要巖性為砂質(zhì)泥巖，其上方巖層為細(xì)砂巖，質(zhì)地相對(duì)砂質(zhì)泥巖較硬，便于支護(hù)系統(tǒng)中的錨索與錨桿發(fā)揮有效的懸吊作用，提高頂抽巷圍巖的整體穩(wěn)定性，可在砂質(zhì)泥巖層內(nèi)沿頂掘進(jìn)該巷道。考慮到上方細(xì)砂巖硬度較大，掘進(jìn)機(jī)施工成本提高、施工效率降低，因此可留有一定的富余空間。綜合上述考慮，本研究擬將15110頂抽巷布置于工作面?zhèn)认蜻吔玎徑鼉?nèi)部，與煤層頂板相距7m～9m。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)陽(yáng)煤集團(tuán)平舒煤礦15110工作面工程地質(zhì)情況，為服務(wù)于該工作面的頂板瓦斯抽采巷進(jìn)行空間位置確定，通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)工作面采場(chǎng)應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，并通過(guò)計(jì)算不同水平與垂直位置的應(yīng)力升高系數(shù)篩選較優(yōu)方案，同時(shí)，考慮巖巷掘進(jìn)與經(jīng)濟(jì)成本等因素，最終確定15110工作面頂板瓦斯抽采巷采用內(nèi)錯(cuò)式布置方式，與工作面?zhèn)认蜻吔缦噜彛⒕喙ぷ髅骓敯?m～9m。