李青柏,李文洲

(1.淮南礦業(yè)集團潘集第一煤礦,安徽淮南 232082;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

高抽巷布置優(yōu)化設計及分析

李青柏1,李文洲2

(1.淮南礦業(yè)集團潘集第一煤礦,安徽淮南 232082;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

Optim ized Design forM ethane-dra inage Roadway Location in Roof

根據(jù)采空區(qū)上覆巖層移動規(guī)律及瓦斯流動分布規(guī)律,對特定地質采礦條件下高抽巷布置的機理、方法和效果進行了分析研究,并對現(xiàn)場施工情況進行總結,為類似條件下的采礦設計提供參考。

高抽巷;優(yōu)化設計;巖層移動;瓦斯流動

煤層瓦斯因素嚴重制約礦井的高產(chǎn)高效。隨著礦井開采向深部延伸,瓦斯含量和瓦斯壓力越來越大,瓦斯影響生產(chǎn)的現(xiàn)象也越來越嚴重,針對特定的采場條件,從設計上解決瓦斯制約問題是實現(xiàn)高產(chǎn)高效的關鍵。本煤層消突和高抽巷掩護消突是保護層開采解決瓦斯問題較為合理的方法。高抽巷的合理布置對快速掘進和采場接替有重要意義。

1 高抽巷布置機理

1.1 采空區(qū)上覆巖層冒落、裂隙規(guī)律

煤層開采后,上覆巖層從直接頂開始,由下而上都將遭受變形和破壞,改變自然狀態(tài),進入開始運動和穩(wěn)定運動的狀態(tài)。在其冒落中形成兩類裂隙,一類是巖層下沉時,由于巖性、層厚不同,使巖層產(chǎn)生非均勻下沉,并在下沉過程中在層與層理之間出現(xiàn)沿層裂隙,稱之為離層裂隙;另一類是巖層下沉過程中彎曲、斷裂形成的垂直巖層的裂隙,稱為穿層裂隙。正是這兩類裂隙的產(chǎn)生和分布的不均性,使部分巖層冒落,部分巖層離層、斷裂,部分巖層彎曲下沉。當采空區(qū)上覆巖層運動趨于穩(wěn)定后,可近似地將其劃分為 “豎三帶”和 “橫三區(qū)”。即:在采空區(qū)沿垂直方向由下而上分為冒落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶;沿工作面推進方向及傾斜方向分為煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)。重新壓實區(qū)位于采空區(qū)中部,隨著工作面的不斷推進,靠工作面煤壁的原離層區(qū)被逐步壓實成新的“重新壓實區(qū)”,故重新壓實區(qū)是隨工作面的推進而移動的,而開切眼側和上下巷側的離層區(qū)由于煤柱的支承作用,能較長時間地存在。這些能長時間存在的離層區(qū)和工作面空間相互貫通,形成一個連通的環(huán)形圈,即所謂“O”形圈。

1.2 采空區(qū)瓦斯流動、分布及抽放原理

采空區(qū)瓦斯的流動一般受 3種力的作用:對工作面圍巖和鄰近煤層來說,采空區(qū)是一種應力釋放區(qū),鄰近瓦斯在原始壓力作用下,通過裂隙大量涌入采空區(qū);通風動力使工作面及采空區(qū)兩端產(chǎn)生壓差,風流帶動瓦斯向低壓端流動;瓦斯的密度為空氣密度的 0.554倍,空氣浮力使瓦斯向上運動。以U型通風而言,由于這 3種力的共同作用,采空區(qū)的瓦斯將沿工作面傾斜方向向上流動并經(jīng)上隅角涌出。同時由于“O”型圈的存在,為采空區(qū)及上覆巖層裂縫帶內瓦斯的流動和儲存提供了通道和空間。采空區(qū)瓦斯沿工作面傾向呈上大下小,沿走向距工作面一定范圍內呈由小到大,隨推進距離增大由大到小的趨勢分布。

由于“O”型圈存在的空間是采空區(qū)瓦斯流動和積聚的主要場地,且瓦斯的流動和積聚呈一定的規(guī)律分布,因此,采空區(qū)瓦斯抽放的原理就是要利用采動裂隙“O”型圈這一巖層移動特征,將高抽巷或走向鉆孔布置在瓦斯?jié)舛茸罡摺⒎e聚量最大的部位,達到消除上隅角瓦斯積聚、回風流瓦斯超限的目的。

2 地質條件及巷道布置情況

2621(1)工作面位于西三下部采區(qū),上鄰2611(1)采空區(qū),標高 -564～-594m?；卷敒橹猩皫r,均厚 7.36m,灰白色。偽頂為泥巖及煤線,均厚 0.5m,灰黑色,易碎。直接底為泥巖,局部為砂質泥巖,深灰色,均厚 1.03m,老底為細砂巖,淺灰色,細粒結構,均厚 1.8m。11-2煤,黑色,以塊狀為主,少量粉沫狀、片狀,屬半亮型,厚 1.1～1.8m,平均煤厚 1.4m。工作面中東部 11-2煤層發(fā)育一層偽頂,由泥巖及煤線組成,易冒落,厚 0～1.28m,平均厚度 0.5m。工作面東部受 F4斷層組牽引影響,煤層產(chǎn)狀變化較大,預計 11-2煤層產(chǎn)狀為:180～266°∠4～8°。

2621(1)工作面西起西三 11-2煤層膠帶機上山,東至 F4斷層組。工作面北為 2611(1)工作面(2006年 6月收作);南為 11-2煤未采塊段,無采掘活動。西為 11-2煤層系統(tǒng)巷道,西上方為西三13-1煤層系統(tǒng)巷道。工作面正上方對應 1661(3)工作面采空區(qū)與 1671(3)工作面采空區(qū)。

3 高抽巷布置方案

3.1 層位選擇

合理的層位布置應該最大限度地發(fā)揮高抽巷的作用。根據(jù) 2621(1)工作面頂板巖性資料,巷道布置在砂質泥巖中,沿此巖層布置巷道不僅施工方便且可以減小成本,且巷道處于裂縫帶內,可以最大程度發(fā)揮高抽巷的作用。

3.2 平面優(yōu)化設計

根據(jù)對高抽巷層位選擇的闡述,結合所在工作面的地質情況,對高抽巷的布置給出以下 3種布置方案,見圖1。

圖1 高抽巷布置方案

方案Ⅰ:如圖 1,2621(1)運輸巷內迎頭向后 10m內側施工,巷道與運輸巷夾角 40°,先按14°上坡施工 30m (矸石倉),改向按運輸巷同方位 14°上坡施工 40m(膠帶機機頭)變平,沿 11煤頂板砂質泥巖施工 710m,再按 8°下山施工 60m停頭。這樣高抽巷與運輸巷垂直距離 16～20m,水平距離 18m,布置在裂縫帶內。

方案Ⅱ:如圖 1,2621(1)運輸巷內迎頭向后 10m外側施工,巷道與運輸巷夾角 35°,先按14°上坡施工 43m (矸石倉),改向按運輸巷同方位 14°上坡施工 28m(膠帶機機頭)變平,沿 11煤頂板砂質泥巖施工 700m,再按 7°下山施工 50m停頭。這樣高抽巷與運輸巷垂直距離為 16～20m,水平距離為 20m,布置在裂縫帶內。

方案Ⅲ:如圖 1,2621(1)運輸巷內迎頭向后 10m外側施工,先按垂直運輸巷方向 30°上坡施工 18m,然后改向與運輸巷同向 14°上坡施工 35m變平,沿11煤頂板砂質泥巖施工720m,再按7°下山施工 50m停頭。這樣高抽巷與運輸巷垂直距離為 16～20m,水平距離 18m,布置在裂縫帶內。

3個方案的供電、通風系統(tǒng)一致,均具備生產(chǎn)需要。從運輸方面看:由于工作面與軌道上山之間穿過膠帶機上山,故出矸系統(tǒng)為:迎頭→運輸巷→矸石倉立眼→回風下山→軌回聯(lián)巷→軌道上山→大巷,出矸系統(tǒng)復雜,提絞繁瑣。由于運輸巷膠帶早已安裝好,且須為掘進出煤用,故運輸巷內無法設矸石倉,設計巷道內部需具備一定的儲矸能力。

方案Ⅰ、Ⅱ在設計中已清楚布置矸石倉,方案Ⅲ若要設矸石倉,只能在 30°上山變向后,那么矸石倉耙矸機須安裝在 30°上山變向點處,膠帶機頭則置于平巷內,而 30°斜巷必須鋪設鏈板機?？梢钥闯龇桨涪蠊ば驈碗s,設備多,安全隱患大,故方案Ⅲ放棄。

比較方案Ⅰ、Ⅱ:兩個方案機電、通風、運輸系統(tǒng)一致,區(qū)別是方案Ⅰ運輸巷內側施工,矸石倉30m,方案Ⅱ運輸巷外側施工,矸石倉 43m。矸石倉的大小是儲矸能力的體現(xiàn),因此,方案Ⅱ儲矸能力好。兩個方案打鉆鉆孔分布類同,控制范圍都可以達到預期,不同的是方案Ⅱ可以做為下一個工作面開采時高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯用,省了 1條820m的巷道,而方案Ⅰ則不可以,因此,方案Ⅰ放棄,選擇方案Ⅱ。

3.3 巷道支護形式及斷面規(guī)格

巷道主要是用于抽放瓦斯,服務年限將隨著采面的收作而結束,因而其斷面大小和支護形式只要能滿足掘進期間的施工和打鉆施工的使用即可,巷道全長 820m,施工期間膠帶運輸,因此,巷道斷面規(guī)格為 3.6m×2.9m,采用錨網(wǎng)支護,錨桿規(guī)格<20mm×2000mm,間排距1000mm×500mm,巷道內間隔 50m一個鉆場,鉆場規(guī)格 4600mm× 3000mm,深度 5000mm。

4 工程應用

2621(1)現(xiàn)場施工中,巷道設計的矸石倉極大緩解了車皮供應不足、出矸困難的問題,利用儲矸空間,適時調整工時和工序,保證了巷道的正常掘進;錨網(wǎng)支護及層位布置即滿足了巷道的服務年限,節(jié)省了材料消耗,又加快了施工進度。據(jù)統(tǒng)計,施工隊月均單進 180m,在出矸系統(tǒng)復雜的情況下,提前竣工,保證了接替的順利。高抽巷鉆場打抽采鉆孔,掩護運輸巷,運輸巷復工后,最快月進尺 300m,施工過程中檢驗無瓦斯超標現(xiàn)象,瓦斯危險消除。施工結束一年多,根據(jù)現(xiàn)場觀測,支護效果良好,巷道內支護無明顯變形。

5 經(jīng)濟效益分析及結論

錨網(wǎng)支護設計,在保證巷道服務年限的前提下,降低了材料消耗,符合技術經(jīng)濟一體化理念。

矸石倉輔助膠帶的設計,在運輸系統(tǒng)復雜,車皮供應緊張的情況下,提高了工效,保證了月單進,巷道提前竣工,確保了接替的順利,為高產(chǎn)高效打下基礎。

高抽巷的外側布置,為下一工作面的開采省了一條 820m的高抽巷,直接經(jīng)濟效益可觀,降低了生產(chǎn)成本,為類似條件下,錨網(wǎng)支護、矸石倉輔助膠帶、外側高抽巷的設計,提供了借鑒作用。

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[責任編輯:王興庫]

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1006-6225(2010)05-0028-02

2010-06-08

李青柏 (1981-),男,山東青島人,助理工程師,現(xiàn)在潘集第一煤礦技術科設計室工作。