郭 洪

(陽(yáng)煤集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700)

0 引言

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司開(kāi)采8#、15#煤層，屬高瓦斯礦井。礦井開(kāi)采隨著工作面的不斷延伸，井下煤層賦存條件將更趨復(fù)雜，礦井煤層瓦斯災(zāi)害威脅將越來(lái)越大。煤層瓦斯災(zāi)害已成為礦井安全生產(chǎn)的主要威脅。在開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)首先確定煤層開(kāi)采的關(guān)鍵層，然后采用導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式等方法估計(jì)出高抽巷的位置，接著采用數(shù)值模擬等方法對(duì)巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，便可以確定高抽巷的理想層位，進(jìn)而保障煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

15201綜放面是新大地煤礦二采區(qū)的首個(gè)工作面(如圖1所示)，為了防止采煤過(guò)程中瓦斯涌出量大而引發(fā)瓦斯安全問(wèn)題和阻礙工作面高產(chǎn)高效開(kāi)采現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)陽(yáng)煤集團(tuán)老區(qū)礦井的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在11#煤層布置走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯，以期減小工作面瓦斯涌出量。但是，新大地煤礦的覆巖結(jié)構(gòu)條件與老區(qū)礦井15#煤層的上覆巖層結(jié)構(gòu)存在差異，使得15#煤層的上覆鄰近層瓦斯的卸壓運(yùn)移規(guī)律產(chǎn)生變化。因此，進(jìn)行15201綜放面走向高抽巷布置參數(shù)優(yōu)化研究，對(duì)工作面高抽巷布置具有指導(dǎo)意義。

2 走向高抽巷布置層位優(yōu)化分析

陽(yáng)煤集團(tuán)15201綜放面位于井田二采區(qū)東部，工作面長(zhǎng)度為180 m，標(biāo)高為972～1 128 m，地表標(biāo)高為1 300.8～1 493.6 m，埋藏深度為312～499 m，為東南高西北低的趨勢(shì)。工作面開(kāi)采煤層為15#煤層，平均煤層厚度為5.43 m，煤層傾角為8°～12°。煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，硬度一般為2～3。15#煤層的直接頂以黑色泥巖、砂巖為主，厚度平均14.76 m，屬4類(lèi)頂板；老頂為K2灰?guī)r，平均厚度為5.76 m。底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，平均厚度為12.99 m。15#煤層底板砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為25.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.75 MPa，抗剪強(qiáng)度為5.35 MPa。15#煤層頂板泥巖抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.54 MPa，抗剪強(qiáng)度為1.55 MPa。

2.1 采動(dòng)上覆瓦斯卸壓運(yùn)移的“三帶”范圍

為有效找出合理的瓦斯抽采高抽巷的布置層位，需要找到煤層上覆巖層的關(guān)鍵層所在的層位。為了便于分析，根據(jù)15201工作面的鉆孔柱狀圖，利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的KSPB軟件對(duì)工作面上覆巖層關(guān)鍵層進(jìn)行了判別。經(jīng)過(guò)KSPB軟件的計(jì)算，在工作面上方共有9層關(guān)鍵層。在找到煤層的關(guān)鍵層所在的層位以及得到了關(guān)鍵層的厚度后，可以確定煤層上覆巖層移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶，就可以確定導(dǎo)氣裂隙帶的高度，從而為合理布置煤層瓦斯抽采高抽巷的布置提供參考。經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)15201綜采工作面上覆巖層達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，根據(jù)修正后的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊慕?jīng)驗(yàn)判別公式計(jì)算導(dǎo)氣裂隙帶，可得導(dǎo)氣裂隙帶預(yù)測(cè)高度為55.3 m；根據(jù)關(guān)鍵層判別卸壓解吸帶的方法，確定卸壓解吸帶的發(fā)育止于主關(guān)鍵層，即卸壓解吸帶的高度為279.44 m。按照走向高抽巷的布置原則，15201工作面的走向高抽巷應(yīng)布置在15#煤層頂板55.3 m以下范圍的上覆巖層內(nèi)。導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨萚1]的經(jīng)驗(yàn)判別公式見(jiàn)表1，其中M表示煤層的開(kāi)采厚度。

表1 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊慕?jīng)驗(yàn)判別公式

從表1中可以看出，導(dǎo)水裂隙帶的高度不僅與煤層的開(kāi)采厚度有關(guān)，也與煤層上覆巖層的巖性有關(guān)，可以分為堅(jiān)硬、中硬、軟弱以及極軟弱等4種情況。對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算有2種類(lèi)型的計(jì)算公式，2種類(lèi)型公式的計(jì)算形式存在一定的差異性。為了確保導(dǎo)水裂隙帶層位的合理性，下面采用數(shù)值模擬對(duì)高抽巷的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2 走向高抽巷的采動(dòng)變形破壞規(guī)律

由于在15201綜采工作面開(kāi)采時(shí)，煤層的開(kāi)采高度較大，達(dá)到了5.2 m，而且煤體的強(qiáng)度較低，煤體內(nèi)的裂隙比較發(fā)育。在這種情況下，直接利用傳統(tǒng)的導(dǎo)水裂隙帶的高度來(lái)確定高抽巷的位置是十分不合理的，主要是由于工作面的煤層開(kāi)采高度過(guò)大[2-3]。在這種情況下，根據(jù)15201綜采工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，在給定支護(hù)參數(shù)條件下，總共設(shè)計(jì)計(jì)算方案共5個(gè)：6M-31.2 m；7M-36.4 m；8M-41.6 m；9M-46.8 m；10M-52 m。不同方案條件下高抽巷相對(duì)于煤層的綜合柱狀圖的位置，如圖2所示。為了能準(zhǔn)確分析高抽巷的變形及破壞情況，采用了美國(guó)Itasca公司的UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，該軟件能形象地分析巷道在地應(yīng)力作用下的變形以及破壞現(xiàn)象。圖2為不同方案條件下高抽巷位置圖。

圖2 不同方案條件下高抽巷位置圖

在巷道的變形破壞過(guò)程中，巷道的頂?shù)装逑鄬?duì)移近量是衡量頂板巷道變形破壞的重要指標(biāo)。利用UDEC數(shù)值計(jì)算軟件可得出采動(dòng)過(guò)程中不同層位處高抽巷頂?shù)装迤骄平浚?dāng)高抽巷位于8倍的采高時(shí)，整體下沉量較其他層位處小且巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)H為0.005 4 m，高抽巷位于9倍的采高時(shí)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)H為0.006 3 m且頂?shù)装遄笥叶讼鄬?duì)移近量比較均勻。從巷道頂?shù)装遄冃蔚慕嵌确治?，層?倍的采高及9倍的采高是走向高抽巷布置的理想層位。兩幫變形量也是巷道變形破壞的主要指標(biāo)[4]。利用UDEC數(shù)值計(jì)算軟件可得出采動(dòng)過(guò)程中不同層位處高抽巷兩幫圍巖平均移近量，高抽巷位于9倍的采高時(shí)，巷道兩幫板相對(duì)移近量?jī)H為0.007 6 m，高抽巷位于10倍的采高時(shí)，巷道兩幫板相對(duì)移近量?jī)H為0.006 2 m。因此，從巷道兩幫變形的角度分析，層位9倍的采高及10倍的采高是走向高抽巷布置的理想層位。

根據(jù)15201工作面的采動(dòng)上覆瓦斯卸壓運(yùn)移的“三帶”范圍和走向高抽巷的采動(dòng)變形破壞規(guī)律以及走向高抽巷的布置原則[5]，可知導(dǎo)氣裂隙帶預(yù)測(cè)高度為55.3 m，走向高抽巷應(yīng)布置在15#煤層頂板55.3 m以下范圍的上覆巖層內(nèi)。同時(shí)，由于位于9倍采高處的走向高抽巷的巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平慷驾^小，巷道斷面完整性較好，工作面走向高抽巷的合理布置層位應(yīng)為9倍采高處，即工作面頂板46.8 m處的上覆巖層內(nèi)。采動(dòng)過(guò)程中，不同層位高抽巷的變形破壞情況，如圖3所示。

a-高抽巷位于6M層位；b-高抽巷位于7M層位；c-高抽巷位于8M層位 d-高抽巷位于9M層位；e-高抽巷位于10M層位圖3 不同條件下高抽巷變形破壞情況

圖3為高抽巷布置在不同層位條件下的巷道變形破壞情況。由圖3可知，在6倍采高(圖3(a))時(shí)，高抽巷的完整性最好，但是在6倍采高時(shí)巷道靠近13#煤層，巷道的瓦斯涌出嚴(yán)重，不利于巷道的開(kāi)挖和掘進(jìn)；在7倍采高(圖3(b))時(shí)，巷道的頂板下沉嚴(yán)重，而且出現(xiàn)了底臌現(xiàn)象，不利于巷道的正常使用，需要消耗大量的財(cái)力用于巷道的維護(hù)；在8倍采高(圖3(c))時(shí)，巷道的兩幫和底板出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞；對(duì)于在9或10倍采高(圖3(d)～圖3(e))時(shí)，高抽巷的頂?shù)装寮皟蓭投急容^完整，這對(duì)于瓦斯的長(zhǎng)期抽采是十分有利的[6-8]。在新大地礦15201工作面地質(zhì)條件下，高抽巷在位于9倍采高處時(shí)，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平慷驾^小，巷道斷面完整性較好且易于維護(hù)，有利于鄰近層瓦斯抽采。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)15201綜采工作面的地質(zhì)參數(shù)，首先確定了煤層開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵層，然后采用導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式粗略地確定高抽巷的位置，最后采用UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，確定了高抽巷的理想層位。研究結(jié)果表明，在走向高抽巷位于工作面9倍采高時(shí)，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平慷驾^小，巷道斷面完整性較好。新大地礦工作面走向高抽巷的合理布置層位應(yīng)為9倍采高處，即工作面頂板46.8 m處的上覆巖層內(nèi)。該方法可以為類(lèi)似生產(chǎn)條件的礦井高抽巷布置提供一定的借鑒作用。