劉洪明

(山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600)

1 1307工作面概況及高抽巷抽采瓦斯原理

1.1 1307工作面概況

趙莊礦1307工作面走向長(zhǎng)2 800 m，傾向長(zhǎng)220 m，平均煤厚4.5 m，可采儲(chǔ)量為345萬(wàn)t。工作面采用U型通風(fēng)，共布置3條巷道，13071巷、13073巷為進(jìn)風(fēng)巷，13072巷為回風(fēng)巷。

1.2 走向高抽巷抽采瓦斯的原理

隨著工作面頂板周期性垮落，采空區(qū)深部大部分垮落帶內(nèi)巖石由于底板的支撐作用及上部巖層的重力作用，高層裂隙變窄，空隙變小，最終逐漸被壓實(shí)，而受到遺留煤柱支撐作用，煤柱四周巖石壓縮程度小于采空區(qū)中部，就會(huì)在采空區(qū)四周形成一個(gè)“O”形圈，使得采空區(qū)氣體可以相互補(bǔ)充?！癘”形圈內(nèi)部存儲(chǔ)了大量的高濃度瓦斯，該區(qū)域?yàn)轫敯逋咚沟母患瘏^(qū)，即為采空區(qū)內(nèi)部瓦斯儲(chǔ)存流動(dòng)場(chǎng)所。如圖1所示。

圖1 采空區(qū)“O”形圈分布

井下卸壓瓦斯抽采主要是利用受采動(dòng)影響后，煤巖體裂隙發(fā)育，煤層透氣性增加，瓦斯運(yùn)移的通道增多，在抽采負(fù)壓作用下，被抽采系統(tǒng)抽走，鄰近層瓦斯主要通過(guò)高抽巷或高位鉆孔抽出。常用的走向高抽巷如圖2和圖3所示。

圖2 走向高抽巷抽采瓦斯示意圖

圖3 1307高抽巷剖面示意圖

高抽巷通常情況下是在采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)以一定角度在施工一段穿層斜巷，直到走到煤層頂板上高抽巷的設(shè)計(jì)層位，在掘進(jìn)過(guò)程中不斷探測(cè)高抽巷的層位保證高抽巷能夠始終與預(yù)采煤層頂板保持一定的距離，避免層位超高或過(guò)低影響抽采效果，高抽巷應(yīng)與工作面回風(fēng)巷保持一定的水平距離，這個(gè)距離不能過(guò)小，過(guò)小可能由于應(yīng)力作用巷道密閉性不好，抽采濃度低。

2 1307高抽巷層位確定方法

高抽巷應(yīng)該布置在工作面頂板上部的裂隙帶的中下部，但是不同礦井工作面上覆巖層“三帶”的分布不同，不能一概而論，為了將高抽巷布置的更加合理，確保抽采效果，趙莊礦1307高抽巷采取經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算來(lái)確定工作面上覆巖層“三帶”的高度分布，來(lái)確定高抽巷的層位。

1) “三帶”理論公式計(jì)算方法一

垮落帶的高度：

H1=M/(K-1)

(1)

式中：H1為沿煤層方向冒落帶的高度，m；M為回采層厚度，m；K為垮落帶巖石碎漲系數(shù)，取1.3。

根據(jù)上式，計(jì)算得出1307工作面垮落帶高度為H1=4.6～6.1/(1.3-1)=15.3 m～20.33 m。

裂隙帶的高度：

H2=100M/(2M+3)+6

(2)

式中：H2為裂隙帶沿煤層法向的高度，m；M為回采層厚度，m。

根據(jù)上式，計(jì)算出1307工作面裂隙帶的高度為：H2=100(4.6～6.1)/[2(4.6～6.1)+3]+6=43.7 m～46.1 m。

2) “三帶”理論公式計(jì)算方法二

用《建筑物、水體、鐵路及主用井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，具體垮落帶和裂隙帶的計(jì)算公式如表1所示。

表1 “三帶”高度理論計(jì)算公式

該公式煤層采高在3 m以內(nèi)的覆巖裂隙帶高度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)吻合程度很高，當(dāng)煤層采高>3 m時(shí)，實(shí)測(cè)裂隙帶高度約為經(jīng)驗(yàn)公式中較大計(jì)算值的1.3～1.5倍。因此修正后的裂隙帶高度計(jì)算式為：

Hs=λHd(采高M(jìn)>3 m)

(3)

式中：Hs為修正后的冒落帶、裂隙帶理論高度，m；Hd為冒落帶、裂隙帶高度判別公式；為修正系數(shù)，一般取 1.3～1.5；M為煤層采高。

裂隙帶高度范圍計(jì)算分析：根據(jù)趙莊礦3#煤層頂?shù)装鍘r性可知，該煤層頂板屬于中硬巖層，按照上述冒落帶與裂隙帶中的中硬巖層的判別公式可知：

冒落帶的計(jì)算公式為：

(4)

裂隙帶的計(jì)算公式為：

(5)

3#煤層煤層平均厚度為5.5 m，再結(jié)合式(3)可知：

Hs冒=λ100M4.7M+2.9+2.2=1.3×100×5.54.7×5.5+2.9+2.2=27.73

Hs裂=λ100M1.6M+3.6+5.6=1.3×100×5.51.6×5.5+3.6+5.6=64.9

因此，依據(jù)上述理論判別公式，計(jì)算結(jié)果表明：趙莊礦1307工作面冒落帶最大高度范圍為27.73 m，裂隙帶最大高度范圍為64.9 m，即裂隙帶的高度范圍約為 27.73 m～64.9 m。

根據(jù)理論公式的計(jì)算得出裂隙帶的高度范圍，趙莊礦1307高抽巷在1104巷內(nèi)進(jìn)行開(kāi)口，巷道與13072巷的水平距離為34 m，層位選在距工作面煤層頂板30 m～62 m。通過(guò)工作面回采期間的抽采效果分析，來(lái)確定高抽巷最佳的合理層位。

3 1307走向高抽巷抽采情況分析

高抽巷的層位合理與否直接影響著高抽巷的抽采效果，層位適不適合主要還的從高抽巷抽采期間系統(tǒng)的濃度、負(fù)壓、抽放量變化情況來(lái)分析。當(dāng)高抽巷處于冒落帶內(nèi)時(shí)，由于密閉性差，系統(tǒng)的濃度低、負(fù)壓低、流量大；當(dāng)高抽巷處于裂隙帶時(shí)，巷道密閉性好，系統(tǒng)的濃度高、負(fù)壓高、流量小，抽采效果好。

3.1 高抽巷抽采純量分析

按照抽放純量在35 m3/min以上算抽采效果較好來(lái)看，從高抽巷抽放純量隨高抽巷層位的變化曲線可以看出，高抽巷層位在40 m～60 m之間時(shí)，抽放純量都在35 m3/min以上；當(dāng)高抽巷層位在43 m時(shí)，系統(tǒng)抽采純量能達(dá)到37.5 m3/min，系統(tǒng)濃度13.2%；高抽巷層位在48 m左右時(shí)，系統(tǒng)抽采純量為47 m3/min，系統(tǒng)濃度15.4%；高抽巷層位達(dá)51 m左右時(shí)，系統(tǒng)抽采純量為47.6 m3/min，系統(tǒng)濃度15.6%。

隨著高抽巷層位的增加(43 m→48 m→51 m)，瓦斯抽采純量也逐漸增大(37.5 m3/min→47 m3/min→47.6 m3/min)，當(dāng)純量為47.6 m3/min時(shí)，基本達(dá)到高抽巷抽采以來(lái)的最大峰值?？梢?jiàn)，高抽巷的最佳層位應(yīng)該在43 m～51 m之間，此時(shí)抽采效果最好，對(duì)應(yīng)的抽采純量為37.5 m3/min～47.6 m3/min。具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 高抽巷抽放純量與層位之間的關(guān)系

3.2 高抽巷抽采濃度分析

如圖5所示，在工作面回采初期工作面回采進(jìn)度較慢，采空區(qū)頂板未跨落，高抽巷與采空區(qū)的裂隙不發(fā)育，但由于高抽巷迎頭向工作面切眼上方施工的有鉆孔，高抽巷主要抽采的是煤體的卸壓瓦斯，所以初期瓦斯?jié)舛容^低。從圖4中可以清晰的看出，高抽巷層位在38 m～60 m之間時(shí)，高抽巷的濃度相對(duì)較穩(wěn)定，基本在10%以上，故從高抽巷濃度分析情況來(lái)看，高抽巷的最佳層位應(yīng)在38 m～60 m。

圖5 高抽巷抽采濃度與層位之間的關(guān)系

3.3 高抽巷抽采負(fù)壓分析

從圖6可以看出：

1) 隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)不斷的垮落，頂板裂隙發(fā)育，采空區(qū)與高抽巷逐步溝通，當(dāng)工作面推過(guò)高抽巷迎頭53 m，層位30.6 m時(shí)，高抽巷與采空區(qū)的裂隙增加，高抽巷負(fù)壓由31 kPa降至13 kPa，當(dāng)工作面推過(guò)高抽巷迎頭100 m時(shí)，負(fù)壓由開(kāi)始的31 kPa降至3 kPa，采空區(qū)與高抽巷完全溝通，流量和濃度均大幅上升。

2) 隨著工作面的推進(jìn)，高抽巷的濃度不斷變化，其中在工作面推進(jìn)936 m～1 319 m時(shí)濃度相對(duì)較高較穩(wěn)定維持在10%以上，而且此時(shí)的系統(tǒng)標(biāo)況流量在300 m3/min左右，此時(shí)的負(fù)壓在5 kPa～7 kPa。

3) 隨著工作面的不斷推進(jìn)，高抽巷的抽采負(fù)壓趨于穩(wěn)定，在5 kPa～9 kPa波動(dòng)。

綜上，通過(guò)流量、濃度、抽放純量的變化曲線來(lái)看，高抽巷的最佳負(fù)壓在5 kPa～7 kPa。

圖6 高抽巷純量、標(biāo)況流量、負(fù)壓、濃度隨工作的推進(jìn)距離的變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高抽巷不同層位的抽采效果分析來(lái)看，1307高抽巷的合理層位在43 m～51 m，最佳負(fù)壓在5 kPa～7 kPa。