苗磊剛，石必明，秦如祥

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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高瓦斯工作面高抽巷合理位置與抽采效果研究

苗磊剛1,2，石必明1，秦如祥1

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為了研究高抽巷合理的布置位置，根據(jù)淮南礦區(qū)13-1煤的實(shí)際開采條件和上覆巖層特征，采用理論計(jì)算、相似模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工觀測(cè)等方法，研究分析了高抽巷合理的布置層位和對(duì)瓦斯抽采效果的影響。結(jié)果表明：13-1煤工作面垮落帶高度約是采高的4倍、裂縫帶高度約是采高的16倍，高抽巷合理布置層位約為距煤層頂板42m，利用相似模擬材料試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定高抽巷布置層位更為合理。

高瓦斯工作面；高抽巷；相似模擬；瓦斯抽采

瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。目前，預(yù)抽煤層瓦斯、開采保護(hù)層、鉆孔抽放、深孔預(yù)裂爆破、上隅角埋管抽放、高抽巷等技術(shù)方法都被廣泛用于治理煤礦瓦斯[2-5]。但在工程實(shí)際應(yīng)用中，高抽巷層位的布置很多都帶有一定主觀性和經(jīng)驗(yàn)性，層位布置是否恰當(dāng)將直接影響其抽排瓦斯的效果。為了合理確定高抽巷布置層位，以淮南礦區(qū)某礦171304工作面為研究背景，對(duì)厚煤層高瓦斯工作面的高抽巷層位布置、瓦斯抽采效果進(jìn)行分析研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 工作面概況

171304工作面為單一傾向長(zhǎng)壁開采，刀把型布置。該工作面膠帶巷開采底板標(biāo)高約-693.2～-617.6m；軌道巷開采底板標(biāo)高約-676.9～-601.1m，膠帶巷可采走向長(zhǎng)約648.0m，軌道巷外段可采走向452.7m，里段可采走向長(zhǎng)221.8m，工作面切眼傾向長(zhǎng)約159.2m，延面切眼傾向長(zhǎng)約142.4m(凈煤壁)。

根據(jù)171304工作面掘進(jìn)巷道揭露13-1煤層厚度分析，13-1煤在該工作面內(nèi)的平均厚度約為5.50m，傾角5～9°，平均7°。171304工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到27.8m3/min。另外工作面內(nèi)局部受斷層影響，煤層厚度有發(fā)生局部變薄或增厚現(xiàn)象。

2 高抽巷合理位置設(shè)計(jì)

2.1 理論計(jì)算

為保證高抽巷抽采瓦斯效果，應(yīng)將高抽巷布置在煤層頂板裂隙發(fā)展較好的區(qū)域，并且要滿足工作面在不斷推進(jìn)過(guò)程中高抽巷不會(huì)被很快破壞，即高抽巷的合理布置位置應(yīng)設(shè)置在裂隙發(fā)育帶的中下部，計(jì)算公式為[6]：

Hg=Hm+ΔHa

(1)

Hm

(2)

式中，Hg為高抽巷布置設(shè)計(jì)高度，m；Hm為工作面垮落帶高度，m；ΔHa為安全保險(xiǎn)高度，取值為1～1.5倍采高，m；Hl為裂縫帶高度，m。

垮落帶高度的理論計(jì)算公式為[6]：

(3)

式中，h為采高，取5.5m；k為垮落區(qū)巖石的碎脹系數(shù)，取1.25；α為煤層平均傾角，取值7°。

裂縫帶高度的理論計(jì)算公式為：

(4)

式中，a，b，c為待定系數(shù)，依據(jù)我國(guó)煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定。

結(jié)合工作面實(shí)際情況，根據(jù)公式(3)和(4)計(jì)算得到工作面垮落帶理論高度為22.18m，裂縫帶高度為65.3m。根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算可得，高抽巷布置的最佳位置層位為27.68～30.43m。

2.2 相似材料模擬試驗(yàn)

為更好地研究淮南13-1煤層采動(dòng)覆巖變形規(guī)律及裂隙分布特征，以此確定高抽巷最佳位置，搭建了相似模型，如圖1所示。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，取模型與原型的幾何相似比為1∶100；按巖層的容重、力學(xué)性質(zhì)和實(shí)際情況，取容重相似比為0.6；根據(jù)前面所確定的幾何相似比和容重相似比，取應(yīng)力相似比為0.006；考慮制作工藝和材料來(lái)源的方便，骨料選用河砂，膠結(jié)料選用石灰和石膏，分層材料選用云母粉。改變骨料和膠結(jié)材料的成分，可以模擬不同類型的巖層。

圖1 相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)試驗(yàn)觀察分析，垮落帶的高度為21m左右；裂隙發(fā)育高度較大，裂縫帶高度大約為80m。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，高抽巷最佳層位布置為距煤層頂板35～50m，如圖2所示。

圖2 工作面覆巖裂縫帶發(fā)育高度

3 高抽巷工程應(yīng)用布置

為更深入地研究高抽巷布置對(duì)瓦斯抽采的影響，本次選擇淮南礦區(qū)13-1煤某礦171304工作面為工程試驗(yàn)地點(diǎn)。在171304軌道巷與西三第四提料斜巷三岔門往里13.5m處撥門施工171304面高抽巷聯(lián)巷，以15°方位角23°仰角施工41.5m斜巷后，以325°方位角16°上山施工，施工66.7m后高抽巷底板與該處13-1煤頂板落差25m，以325°方位角7～10°(煤層傾角)上山施工，因工作面呈刀把型布置，因此高抽巷以7～10°上山施工447.5m后，以55°方位角施工143.2m，然后以325°方位角7～10°(煤層傾角)上山施工267.4m至高抽巷端頭，高抽巷端頭在工作面切眼水平距離10m，高抽巷距13-1煤層25m，高抽巷離171304軌道巷平距28m，高抽巷布置如圖3所示。

圖3 171304工作面高抽巷布置示意

4 高抽巷抽采效果分析

4.1 高抽巷抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛瓤傮w變化特征

高抽巷抽采瓦斯量和抽采濃度隨工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，抽采瓦斯?jié)舛群统椴赏咚沽孔兓卣饕恢拢夭蛇^(guò)程中濃度和抽采瓦斯量變化可分為4個(gè)階段。第Ⅰ階段是工作面開始開采至推進(jìn)約100m左右范圍，是抽采瓦斯?jié)舛群统椴赏咚沽可仙A段，這是采動(dòng)引起煤層頂板破壞產(chǎn)生裂隙溝通高抽巷的發(fā)展過(guò)程；第Ⅱ階段是抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛确€(wěn)定時(shí)期，這一階段高抽巷與采空區(qū)之間的溝通通道穩(wěn)定；第Ⅲ階段是抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛仍俅紊仙A段，這是抽采外在條件發(fā)生變化的表現(xiàn)，高抽巷抽采條件變佳的表現(xiàn)；第Ⅳ階段抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛认陆凳歉叱橄锍椴蓷l件變壞的表現(xiàn)。

圖4 高抽巷抽采效果階段分析

4.2 高抽巷與煤層頂板垂距對(duì)抽采瓦斯的影響

高抽巷距煤層垂距與高抽巷抽采瓦斯量之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，高抽巷距煤層頂板垂距的變化影響著其抽采瓦斯量，抽采瓦斯量的變化特征與高抽巷距煤層垂距的變化特征基本是一致的，由于煤層頂板冒落滯后工作面一段距離，其上部裂隙豐富區(qū)是與煤層面成一銳角以下區(qū)域，因此高抽巷抽采瓦斯量變化曲線滯后煤層間距變化特征線。工作面推進(jìn)100～220m左右時(shí)，高抽巷距煤層垂距基本維持在30m左右，此時(shí)，抽采瓦斯量在9m3/min上下波動(dòng)。220～400m時(shí)，高抽巷距煤層垂距由30m增加至42m左右，抽采瓦斯量也由8m3/min增加至27m3/min左右，且抽采瓦斯量增量擬合直線斜率大于高抽巷距煤層垂距增量擬合直線斜率，說(shuō)明高抽巷最佳層位在目前位置之上，最佳層位大于42m。400m至工作面停采線期間，高抽巷距煤層垂距逐漸減小，抽采瓦斯量曲線也快速下降，且下降曲線表現(xiàn)更陡，再次證明高抽巷距離最佳層位越來(lái)越遠(yuǎn)。

圖5 高抽巷距煤層垂距與高抽巷抽采瓦斯量關(guān)系

4.3 高抽巷抽采比例與距頂板垂距的關(guān)系

高抽巷距煤層垂距與高抽巷抽采瓦斯占工作面瓦斯涌出總量的比例關(guān)系如圖6所示。

工作面推進(jìn)230～400m時(shí)，隨著高抽巷距離煤層垂距的增加，高抽巷抽采瓦斯比例逐漸增加；當(dāng)高抽巷距離煤層垂距減小后，高抽巷抽采比例也在減?。还ぷ髅婵拷兆骶€時(shí)，高抽巷抽采比例才又出現(xiàn)升高。這一特征表明171304工作面高抽巷層位低于最佳高度。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)工作面進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)研究，淮南礦區(qū)13-1煤垮落帶高度范圍是21m，約是采高的4倍；裂縫帶高度范圍是80m，約是采高的16倍。

(2)高抽巷抽采瓦斯量和抽采濃度隨工作面推進(jìn)距離之間的變化特征一致，隨著工作面的不斷推進(jìn)可分為上升、平穩(wěn)發(fā)展、再上升和逐漸下降4個(gè)階段特征。

圖6 高抽巷距煤層頂板垂距與高抽巷抽采瓦斯占總抽采量比例關(guān)系

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)分析，高抽巷與煤層頂板垂距實(shí)際最佳層位約為42m，與相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果最佳布置范圍35～50m結(jié)果較為接近，但遠(yuǎn)高于理論計(jì)算分析的27.68～30.43m范圍，利用相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果確定高抽巷布置位置更為合理。

[1]張玫潤(rùn)，楊勝?gòu)?qiáng)，程健維，等.一面四巷高位瓦斯抽采及浮煤自燃耦合研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42(4)：513-518.

[2]張 軍，王建鵬.采動(dòng)覆巖“三帶”高度相似模擬及實(shí)證研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31(2)：249-254.

[3]朱紅清，張民波，申 健，等.常村礦2103工作面頂板走向高抽巷合理層位的確定[J].煤炭工程，2013，45(6)：66-68.

[4]李一波，鄭萬(wàn)成，王鳳雙.頂板走向高抽巷瓦斯抽采效果分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(3)：74-76.

[5]梁 坤.影響塔山礦綜放工作面頂板高抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊囊蛩胤治鯷J].煤炭工程，2011，43(3)：55-56.

[6]王海東，李 旭，吳曉民，等.永安煤礦高瓦斯綜放工作面高位鉆孔抽放參數(shù)確定[J].煤礦安全，2008，39(12)：26-28.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Drainage Effect and Rational Position of High Drainage Roadway of High Gas Working Face

MIAO Lei-gang1,2，SHI Bi-ming1,QIN Ru-xiang1

(1.Energy and Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China; 2.Energy and Communication Engineering School，Jiangsu Construction Professional Technology School,Xuzhou 221116，China)

In order to study the rational position of high drainage roadway，according mining situation and overburden strata characters of 13-1 coal seam of Huainan mining area，and then theory calculation，similar simulation experiment and practical observation were applied，and gas drainage effect that influenced by rational position of high drainage roadway was studied.The results showed that the collapsed zone height is four times of mining height in 13-1 working face，fracture zone height is 16 times of mining height.The rational distribution position of high drainage roadway to roof of coal seam is forty-two meters，and then the rational was verified by similar simulation.

high gas working face；high drainage roadway；similar simulation；gas drainage

2016-04-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.022

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474010；11472007)；江蘇省住建廳資助項(xiàng)目(2014ZD52)；國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目(jiangsu-002-2015AQ)；住建部資助項(xiàng)目(2016-R3-021)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201610849008Y)

苗磊剛(1985-)，男，江蘇邳州人，在讀博士研究生，講師，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害防治理論與技術(shù)研究工作。

苗磊剛，石必明，秦如祥.高瓦斯工作面高抽巷合理位置與抽采效果研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：77-80.

TD712.6

A

1006-6225(2016)06-0077-04