高瓦斯综放面采动裂隙分布与高抽巷位置选择 (1).pdf

2023年第3 期江西煤炭科技179.高瓦斯综放面采动裂隙分布与高抽巷位置选择李晓鹏（华阳集团新景煤业有限责任公司，山西阳泉0 450 0 0）摘要：基于山西新景煤业公司3 10 5高瓦斯工作面覆岩采动裂隙分布，对高抽巷层位对瓦斯抽采效果进行探讨，合理选择工作面高抽巷的位置。运用UDEC数值模拟软件，分析认为，当工作面推进至2 0 0 m时，裂隙带发育高度达到45m，上覆岩层形成稳定的瓦斯抽采的优势通道；结合工作面不同位置瓦斯浓度监测数据以及矿井瓦斯的实际抽采条件，确定高抽巷的合理垂距为距煤层顶板3 5m、合理平距为距回风巷2 5m。瓦斯抽采实践表明，该工作面及回风巷等处的瓦斯浓度均低于0.3%，完全满足矿井安全生产的要求。关键词：高瓦斯矿井；综放面；瓦斯抽采；高抽巷；采动裂隙中图分类号：TD712+.6Distribution of Mining Induced Fracture and Selection of High Level Suction Roadway Location in High Gas FullyAbstract:Based on the distribution of mining induced fractures in the overlying rock of a high gas fully mechanized caving facein a certain mine in Shanxi,using UDEC numerical simulation software,the article explores the gas extraction effect of the highextraction roadway layer,whose analysis shows that when the working face advances to 200 meters,the development height of thefracture zone reaches 45 meters,and the overlying rock layer forms a stable advantage channel for gas extraction.Combining withgas concentration monitoring data at different positions of the working face and actual gas extraction conditions in the mine,thepaper determines the reasonable vertical distance of the high extraction roadway to be 35 meters from the coal seam roof,and thereasonable horizontal distance to be 25 meters from the return air roadway.The practice of gas extraction shows that the gasconcentration at the working face and return air roadway is lower than 0.3%,which fully meets the requirements of mine safetyproduction.Key words:high gas coal mine;fully mechanized caving face;gas drainage;high level suction roadway;mining induced fracture针对高瓦斯矿井容易发生瓦斯超限，影响矿位置的确定具有实际意义，也为同类地质条件下井安全高效生产的问题，根据采空区瓦斯的运移工程应用提供借鉴。规律、高抽巷抽采瓦斯的原理及现场工程应用情1高瓦斯综放面覆岩采动裂隙分布况，可以通过在采空区上覆岩层裂隙带内布置高抽巷抽放瓦斯来保证瓦斯的治理效果。这是因为煤层开采导致上覆岩层应力场和裂隙场的变化，为瓦斯解吸、运移和抽采创造了有利条件2 。但在不同开采条件下，上覆岩层受采动影响的范围和程度会有较大差异，尤其针对综放开采工作面，采放高度较大,顶板活动剧烈3 ,同时，由于工作面处于不断推进状态，上覆岩层采动应力场和裂隙场的位置也处于动态变化状态。因此,本文拟以山西新景煤业公司高瓦斯综放面瓦斯治理为工程背景，通过了解掌握开采后上覆岩层裂隙场的时空变化规律及分布特征，理清瓦斯沿顶板裂隙流动通道，对指导现场邻近层瓦斯抽采及高抽巷合理文献标识码：AMechanized Caving FaceLi Xiaopeng(Xinjing Coal Industry Co.,Ltd.,Huayang Group,Yangquan,Shanxi 045000)构模型可知5,垮落带和裂隙带内采动裂隙呈网状连通，煤岩层的透气性和瓦斯的解析程度也有显著增加,该区域是邻近层瓦斯抽采的有效区域。但对顶板上覆岩层“两带”裂隙发育高度的计算公式是根据普通开采工作面得出的，考虑到综放开采工作面长度及采放高度较大的特点，为了研究的准确性，拟采用UDEC数值模拟软件结合工程实际的方法，并通过观测随着工作面回采上覆岩层破断规律与位移、应力情况，得出新景煤业公司工作面采空区上覆岩层裂隙发育高度，模拟结果如图1所示。文章编号：10 0 6-2 57 2 2 0 2 3)0 3-0 17 9-0 4根据钱鸣高院士的采场上覆岩层“砌体梁”结180.UDEC(Ve/s/on 6.00)r-detres BosGoos1.780B-0158c江西煤炭科技ETIT.E12UDEC(ve/5/on 6.00)0-00-217.19C3:57650122023年第3 期UDEC(ve/S/On6.00)Mmnesos,tssaCorsutingQroue.l(a)推进 10 mOBTITLEUDEC(erlon06.00)SoaUSACBTI-E13UCEC NerS/on6.00)1900-2017-18:1405SenesBorOro7E-0S(b)推进 2 0 m(c)推进50 mC8TIE12UDEC(V9/E/On6.00)2-00217.208:3:Deckpet(d)推进 8 0 m进一步对顶板裂隙的发育情况并展开分析得出，当工作面分别推进到2 0 m和50 m时，顶板裂隙发育情况如图2 所示，推进至2 0 m时，工作面上方直接顶已经完全垮落,裂隙带发育高度为18 m,基本顶还未发生初次垮落，但是直接顶已经形成一个矩形裂隙区；当继续推进至50 m，基本顶开始垮落，其上方形成了较小的梯形裂隙；当工作面继续推进，矩形裂隙区不断扩展，梯形裂隙带不断扩展。裂隙带24m18m(e)推进12 0 m图1覆岩运动规律45m,工作面两侧裂隙滑移破坏区不断向上,向中部扩展，工作面两侧的裂隙滑移破坏区在中部裂隙区上方连成一个整体，在中部裂隙带上方也形成了滑移破坏区，裂隙区和滑移破坏区分界也明显；当工作面继续向前推进，中部采空区上覆岩层逐渐被压实，裂隙出现闭合区，覆岩变形破坏趋于稳定，裂隙带高度基本不再增长。裂除滑移破坏区裂隙带翠带45m(f)推进 2 0 0 m(a)推进 2 0 m图2 工作面推进3 0 m和50 m裂隙发育情况工作面推进至8 0 m时，裂隙发育情况如图3所示。工作面的中部仍旧存在梯形裂隙区,裂隙区内的裂隙主要是张开裂隙，岩层间出现离层，节理间法向应力为零；在工作面的两侧出现了滑移破坏区，滑移破坏区范围与裂隙带分布区域分界明显，滑移破坏区高度比中部裂隙带高度更大，裂隙带高度为3 0 m。裂隙滑移破坏区图3 工作面推进8 0 m裂隙发育情况工作面推进至2 0 0 m时，裂隙发育情况如图4所示。中部裂隙带不断增加扩展，裂隙带发育至(b)推进 50 m裂隙滑移梨带破坏区30m图4工作面推进2 0 0 m裂隙发育情况综上所述，从数值模拟结果可知，冒落带的高度为15m，裂隙带发育高度45m，因此高抽巷的位置应位于工作面上方顶板1545m之间。2高抽巷合理位置综上所述，结合新景煤业公司工作面上覆岩层的实际“三带”分布情况，为了尽可能将高抽巷布置在裂隙发育较好的位置，决定采用十字交叉方法组合不同的实验小组，模拟设定三个垂距分别是H=15m,Hz=25m,Hs=35m;三个平距分别是L=15m,L2=25m,Ls=35m时瓦斯流场的分布特征。2.17不同垂距条件下高抽巷瓦斯抽采效果首先确定相同的平距L=25m，分别模拟距离煤层顶板H,=15m,Hz=25m,Hs=35m不同条件下,采空区进风巷侧平面、回风巷侧平面，高抽巷2023年第3 期所在位置垂直和水平工作面的剖面瓦斯流场的特征，模拟结果如图5所示。将回风巷侧垂直平面瓦斯浓度分布特征绘制如图6 所示。由图可知，由于高抽巷抽采的影响，江西煤炭科技回风巷处形成一个瓦斯相对降低区域，随着高抽巷垂距的增加，瓦斯降低区域不断向上向后扩展，当高抽巷垂距达到3 5m时，瓦斯降低区域已经扩展至整个采空区高度。ch4:0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7181.(a)H,=15 m(b)H=25 m图5不同垂距条件下瓦斯流场分布特征ch4:0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7(c)H;=35 m(a)H,=15 m分别监测不同垂距条件下，回风巷处和高抽巷处瓦斯浓度变化情况如图7 所示。最小瓦斯浓度+最大瓦斯浓度50%45%40%35%30%5达到3 5m时，瓦斯浓度趋于稳定，变化不明显。2.2不同平距条件下高抽巷瓦斯抽采效果保持垂距H=25m保持不变的情况下，模拟距离回风巷的距离L分别为15m、2 5m、3 5m 时瓦斯流场的分布特征及高抽巷所在平面瓦斯流场云图,分别如图8、图9所示。由图8、图9 可知当平距较小或者较大时，瓦斯抽放效果均不太理想，这是因为当平距较小时，顶板覆岩的离层率较低，裂隙发育不完全，而平距(b)H 2=25 m图6 不同垂距作用下回风巷处瓦斯流场分布斯浓度均表现为逐渐降低趋势，而且当布置垂距1.5%1.2%0.9%0.6%0.3%0.0%1525高抽巷垂距/m(a)高抽巷瓦斯浓度ch4:0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7(c)H=35 m由图7 可知随着垂距的增大，回风处最大瓦3545图7 不同垂距时瓦斯浓度分布较大时，高抽巷又接近覆岩重新压实区，离层率也较低，两种情况均没有形成有效的瓦斯运移的通道，不利于瓦斯抽采；当平距为2 5m时，裂隙贯通良好,形成瓦斯运移的有效通道,抽采效果最理想。分别监测不同平距时回风巷与高抽巷的瓦斯浓度的变化情况，如图10 所示。由图10 可知当高抽巷的平距由15m增加到25m时，回风处最大瓦斯浓度由0.3 7%增加到0.75%，随着高抽巷的平距继续增加至3 5m，回风5(b)回风处最大瓦斯浓度15高抽巷垂距/m253545(a)L,=15 m(b)L 2=25 m图8 不同平距条件下瓦斯流场分布特征(c)L3=35 m182.江西煤炭科技2023年第3 期(a)L,=15 m55%50%45%40%35%30%5(a)高抽巷瓦斯浓度1.6%1.2%0.8%0.4%0.0%5(b)回风处最大瓦斯浓度图10 不同平距时瓦斯浓度分布处最大瓦斯含量已经超限至1.46%。综上分析，结合新景煤业公司矿井覆岩采动裂隙演化规律及数值模拟分析结果，同时为避免过于靠近工作面回风巷，导致高抽巷布置于“漏风汇”外面，综合考虑高抽巷围岩最终变形量与回风顺槽内的瓦斯浓度，确定高抽巷布置在距煤层顶板3 5m，距回风巷水平距离2 5m处。3瓦斯抽采效果新景煤业公司工作面高抽巷布置方式如图11所示,通过在高抽巷管路安装500低负压监控系统，以及在工作面回采期间,对回风巷及工作面瓦斯辅助与人工测量，对矿井瓦斯含量进行实测研究发现，回风巷、工作面及回风隅角瓦斯浓度均低于0.3%，低于1%的瓦斯超限标准，实现抽采达标，符合安全生产的要求。高抽巷抽采管路图11不同垂距时瓦斯浓度分布(b)L2=25 m图9不同平距下高抽巷所在平面瓦斯流场云图4结论1通过对新景煤业公司高瓦斯综放面覆岩采动裂隙模拟分析，认为煤层顶板随着工作面推进而垮落，直接顶、基本顶、上覆岩层依次破断形成1525高抽巷平距/m1525高抽巷平距/m钻孔(c)L;=35 m35453545回风顺槽运输顺槽冒落带；工作面刚开始推进时裂隙带为梯形并不断扩展，裂隙区内的裂隙主要是张开裂隙，岩层间出现离层，工作面两侧形成滑移破坏区范围；随着开采距离的增大，中部采空区上覆岩层逐渐被压实，裂隙出现闭合区，最终确定裂隙带的发育高度为 45 m。2)高抽巷布置在回风巷道附近,能够有效地抽采回风巷附近及采空区内积聚的瓦斯；高抽巷层位参数对采空区瓦斯浓度场产生影响为：垂距越高，越容易得到高浓度的瓦斯气体，对于瓦斯抽采利用越有利，同时回风处最大瓦斯浓度也表现为逐渐降低趋势；高抽巷平距的增大使回风处瓦斯浓度也增大；综合考虑高抽巷围岩最终变形量与回风顺槽内的瓦斯浓度，最终确定高抽巷的合理垂距为3 5m,平距为2 5m。3)通过对新景煤业公司工作面及回风巷等处瓦斯浓度检测，经过高抽巷抽采后，瓦斯浓度均低于0.3%；认定高抽巷布置合理，能够保障工作面回采安全。参考文献：1程鹏.工作面采动影响覆岩裂隙发育机理研究与应用.徐州：煤炭科技,2 0 2 1,42(6)：41-44,48.2徐刚，王云龙，张天军，等.厚煤层采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术J.抚顺：煤矿安全，2 0 2 0,51(1):150-155.3刘志成.浅谈王庄煤矿高抽巷布置的参数优化J.长治：煤,2 0 19,2 8(12)：10 1-10 2.4徐永佳.高瓦斯矿井高抽巷合理布置及终巷位置确定研究J.北京：煤炭科学技术,2 0 18,46(11)：93-10 0.5】钱鸣高，许家林.煤炭开采与岩层运动J.北京：煤炭学报,2 0 19,44(4):9 7 3-9 8 4.作者简介：李晓鹏（198 4一），男，大专学历，助理工程师，现就职于华阳集团新景煤业有限责任公司通风一队，主要从事矿井瓦斯抽采及灾害防治等工作。收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 8编辑：李永华