馬珍選

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽煤集團(tuán)的興峪煤礦屬于高瓦斯礦井，負(fù)責(zé)開采的15#煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層。煤層傾角0°～15°，平均5°，煤層厚6.55～7.0m，平均厚6.8m，一般含矸2層,煤層中下部夾石厚度為0.1m,下部夾石厚度0.05m，煤巖類型為半亮型～光亮型。其15#煤層的15501綜放工作面目前處于準(zhǔn)備階段，工作面地表位于畢溝村以西南一帶，地形溝谷縱橫，蓋山厚度227～424m。地面標(biāo)高 1065～1255m，工作面標(biāo)高 798—-826m。工作面位于井下五采區(qū)南部，東部為擴(kuò)區(qū)準(zhǔn)備大巷；南部、北部為實(shí)體煤田，西部與礦界相距20m。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 15#煤頂?shù)装鍘r性特征表

由于該礦井屬于高瓦斯礦井，需對(duì)工作面的瓦斯進(jìn)行治理，現(xiàn)設(shè)計(jì)采用在工作面上方設(shè)置高抽巷來專門對(duì)工作面內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采，根據(jù)15501綜放工作面長(zhǎng)度設(shè)計(jì)15501高抽巷總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1266.54m，服務(wù)年限為3年，專門服務(wù)于15501綜放工作面回采期間抽放瓦斯。15501回風(fēng)順槽掘沿15#煤底板掘進(jìn)，巷道頂板、兩幫全部為煤層。巷道兩側(cè)為實(shí)體煤，沒有受到采動(dòng)影響，屬Ⅳ類巷道。15501抽放巷與工作面的空間位置時(shí)決定抽放效果非常關(guān)鍵的因素，為了達(dá)到最佳的抽放效果現(xiàn)在對(duì)其合理的布置位置進(jìn)行研究。

2 垂直三帶高度的范圍確定

15501綜放工作面采用全部垮落法管理頂板，隨著回采工作面的推進(jìn)，液壓支架后方的采空區(qū)內(nèi)巖層會(huì)破裂垮落，最終采空區(qū)由碎裂巖塊充填密實(shí)，對(duì)上部圍巖起到一定的支撐作用，從而使采空區(qū)的上覆巖層重新穩(wěn)定，巖層的位移和破壞具體特征如圖1所示。在巖層的破斷垮落過程中在豎直方向上巖層的位移和破壞具有明顯的分帶性，經(jīng)過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究將采空區(qū)至地表的巖層豎直方向上可以分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，不同分區(qū)的巖層碎裂程度、裂隙發(fā)育情況有很大差別[1]。

在煤層上部巖層內(nèi)布置用來抽放瓦斯的高抽巷時(shí)，高抽巷與煤層頂板的垂直距離對(duì)抽采采空區(qū)瓦斯和工作面上隅角瓦斯的效果影響很大，因此高抽巷選取合理的層位非常重要。采空區(qū)巖層中的裂隙帶，巖層斷裂為巖塊，砌體梁的結(jié)構(gòu)形式相互作用，使巖層穩(wěn)定，巖塊之間裂隙非常大，空氣連通性運(yùn)移非常有益，好，與煤層的采空區(qū)很好的貫通，氣流可以非常輕松的穿越，對(duì)于工作面及采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移非常有益，所以高抽巷布置在裂隙帶內(nèi)會(huì)得到很好的瓦斯抽排效果。因此計(jì)算裂隙帶的高度范圍合理確定高抽巷位置的基礎(chǔ)。

圖1 采空區(qū)上覆巖層位移和破壞示意圖

目前計(jì)算采空區(qū)上覆巖層三帶高度時(shí)最常采用的是經(jīng)驗(yàn)公式，國(guó)內(nèi)外的很多研究人員進(jìn)行實(shí)地測(cè)量來嚴(yán)重公式的可靠性，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量的高度一般都要比經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果小一些，因此在參考經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果時(shí)，應(yīng)當(dāng)將理論計(jì)算結(jié)果看的小一些，對(duì)于本文所要研究的高抽巷的布置高度范圍具有一定的參考價(jià)值，降低了三帶高度與實(shí)際的誤差。根據(jù)勘察單位的報(bào)告得知頂板圍巖為中硬巖層，具體的計(jì)算公式如下：

冒落帶高度：

裂隙帶高度：

式中：m為煤層厚度。

由經(jīng)驗(yàn)公式明顯能夠看出，巖層的垮落、冒落高度與煤層厚度及巖層巖性密切相關(guān)。吳仁倫[2]等學(xué)者通過數(shù)值模擬、實(shí)地測(cè)量對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤層厚度小于3m時(shí)，實(shí)際高度與計(jì)算的高度差別不大，但是當(dāng)煤層厚度為3m以上時(shí)，實(shí)際值僅為經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的0.4倍左右，鑒于這樣的事實(shí)他們提出了更為細(xì)化的計(jì)算覆巖各區(qū)帶的高度范圍的方法，本次計(jì)算采用其理論，修正后的計(jì)算公式為：

式中：Hs為修正后的冒落帶、裂隙帶理論高度，單位：m;Hd為冒落帶、裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，單位：m；λ為修正系數(shù)，取 1.2；

興峪煤業(yè)的15501綜放工作面開采的15#煤層平均厚度為6.8m，根據(jù)工作面的實(shí)際情況，將數(shù)據(jù)帶入經(jīng)驗(yàn)公式及修正公式，計(jì)算結(jié)果如下：

參考以上計(jì)算結(jié)果可知，15501工作面上覆巖層的冒落帶距離采空區(qū)底板的距離為20m左右，裂隙帶范圍為20～53m之間。

3 數(shù)值模擬

為了更直觀的了解不同層位的高抽巷對(duì)瓦斯抽排效果的影響，運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬軟件，根據(jù)興峪煤業(yè)15501綜放面的實(shí)際尺寸并結(jié)合著理論計(jì)算的結(jié)果，建立如圖2所示的數(shù)值模擬模型，來模擬高抽巷與煤層頂板不同垂直距離條件下的瓦斯抽排[3]。

圖2 采空區(qū)幾何模型正視圖

根據(jù)以往相關(guān)研究表明，高抽巷在煤層上部水平方向上與工作面距離的不同，工作面上隅角瓦斯?jié)舛认嗖畈皇呛艽螅@就表明高抽巷的水平位置對(duì)于瓦斯的抽排效果的影響并不大，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)將其水平方向上布置于工作面中部，確定了高抽巷的最佳水平位置后，通過數(shù)值模擬來模擬高抽巷與煤層頂板垂直距離分別為5m、10m、15m、20m不同條件下瓦斯抽排的效果，對(duì)于不同條件下的模擬結(jié)果，截取各垂直距離時(shí)的高抽巷瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖，來觀察瓦斯的分布情況，統(tǒng)計(jì)垂直距離為高抽巷層位時(shí)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，將得到的?shù)據(jù)匯總得到的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)表2中的不同垂高下的高抽巷抽采瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行整理，得到如圖3所示的折線圖。

表2 不同垂直距離時(shí)各觀測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛缺?/p>

圖3 不同垂距下高抽巷抽采瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線圖

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，隨著高抽巷底板與采空區(qū)底板垂直距離的增大，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛?、上隅角瓦斯?jié)舛?、抽采瓦斯純量?shù)值在整體上均呈現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。在高抽巷與煤層頂板垂直距離為10m的區(qū)域范圍內(nèi)，回采工作面與高抽巷的距離較近，使回采工作內(nèi)的瓦斯會(huì)有一部分能夠運(yùn)移至高抽巷內(nèi)，從而高抽巷能夠抽采采空區(qū)裂隙帶內(nèi)的瓦斯，并且由于高抽巷位于裂隙帶的位置，能夠有效的抽采裂隙帶內(nèi)的瓦斯，因此高抽巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛容^高，抽采純量較其他層位也相對(duì)較大，達(dá)到最好的抽排效果。在距煤層頂板10m以內(nèi)時(shí)，隨著距離的減小，濃度較小是由于與工作面距離太近，雖然能抽排一部分工作面內(nèi)的瓦斯，但是采空區(qū)內(nèi)巷道處于冒落帶內(nèi)，抽到的采空區(qū)的瓦斯很少，因此總量也就較少。而當(dāng)高抽巷與煤層頂板間距由10m繼續(xù)增大時(shí)，高抽巷雖然全部處在裂隙帶內(nèi)，能夠抽采采空區(qū)上浮瓦斯，但是由于與工作面的垂直距離較大，瓦斯向上移動(dòng)的阻力增加，很難抽到15501綜放工作面內(nèi)的瓦斯，因此抽到瓦斯的濃度、純量均逐漸減小。

4 結(jié) 論

綜上所述，當(dāng)高抽巷與煤層頂板板垂直高度為10m左右時(shí)，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛茸畲?、純量最高，同時(shí)在高抽巷的作用下工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.62%,符合《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?%的要求。理論計(jì)算的結(jié)果為高抽巷的最佳位置應(yīng)當(dāng)在距煤層頂板垂直距離為13.2m到46.2m之間，數(shù)值模擬的結(jié)果表明垂距應(yīng)該在10m左右，因此結(jié)合著15#煤層頂板的具體情況，15501工作面低位抽放巷為沿15#煤老頂上部K2石灰?guī)r為頂板掘進(jìn)的全巖巷，巷道頂板為巖層，兩幫為泥巖，屬Ⅱ類巷道，與煤層頂板的垂直距離平均為8.92m。后期的瓦斯抽采驗(yàn)證了高抽巷位置的合理性。