余吾矿高抽巷合理位置参数研究.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：余吾矿高抽巷合理位置参数研究武海涛（山西潞安化工集团 余吾煤业有限责任公司，山西 屯留 ）摘要：为提高余吾矿瓦斯抽采效果，保证安全生产，通过布置高抽巷来降低煤层瓦斯含量。受邻近工作的采动的影响，对高抽巷的布置位置进行了研究；采用 数值模拟的方法分别分析了 高抽巷距工作面回风巷和距煤层顶板不同位置的应力分布特征，进而综合确定最佳的布置参数。该研究有利于指导现场工程实际，保证高抽巷的安全使用。关键词：邻近工作面；高抽巷；位置参数；数值模拟中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犚 犲 犪 狊 狅 狀 犪 犫 犾 犲犔 狅 犮 犪 狋 犻 狅 狀犘 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犎 犻 犵 犺犌 犪 狊犇 狉 犪 犻 狀 犪 犵 犲犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔 犻 狀犢 狌 狑 狌犕 犻 狀 犲犠犝犎 犪 犻 狋 犪 狅（犢 狌 狑 狌犆 狅 犪 犾 犐 狀 犱 狌 狊 狋 狉 狔犆 狅犔 狋 犱，犔 狌犪 狀犆 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾犌 狉 狅 狌 狆，犜 狌 狀 犾 犻 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；近些年通过不断加大煤矿开采的机械化程度，使得采煤工作面的采煤强度不断增大，由此带来的安全隐患也不容忽视。高瓦斯矿井的先进机械化开采导致瓦斯涌出量非常大，瓦斯超限等现象时有发生，瓦斯灾害问题已经成为当前煤矿安全生产的主要隐患。回采工作面或掘进工作面瓦斯涌出量超限会直接影响煤矿的安全生产和工作效率。因此，有效解决工作面瓦斯超限、上隅角瓦斯积聚等问题就成为当前研究人员的主要攻关方向。张聪华通过仿真模拟软件 模拟了高抽巷不同位置的瓦斯抽采，并对抽采效果进行了比较分析；安然等利用采空区气体渗流规律，通过构建模型研究不同位置高抽巷下氧化带宽度；刘瑞涛研究了顶板高抽巷的围岩应力和形变规律，进一步确定了高抽巷布置的合理位置；张栋等提出了“沿空留巷高抽巷”联合抽采手段，避免了瓦斯涌出异常，达到了安全开采效果；徐永佳、薛智勇在相似模拟实验的基础上，探讨了高抽巷合理收稿日期：作者简介：武海涛（），男，山西襄垣人，本科，工程师，主要从事巷道掘进工作，：。引文格式：武海涛余吾矿高抽巷合理位置参数研究山西煤炭，（）：，（）：位置的布置原则；解俊祥等采用数值模拟和实际相结合的方式，通过长时间的实地观测确定了卸压瓦斯抽采钻孔终孔的合理位置，有效降低了工作面瓦斯浓度。官安龙等以余吾煤业 工作面为对象，采用数值模拟的方法，计算分析了高抽巷内瓦斯分布情况，并通过现场数据监测验证了采空区高抽巷的效果。庄小威等分析了余吾煤业 高抽巷受临近工作面采动动压的影响规律，通过数值计算的方法得到了采动影响不同阶段的特征。安朝峰 研究了高位巷道瓦斯抽采对煤自燃三带的影响，采用理论分析的方法得到了高位巷抽采能够使进风侧的自燃带增大，回风侧自燃带减小。李忠等 基于“”形圈理论，提出了走向高抽巷层位的计算方法，并在阳泉矿区进行试验验证，实际测量值与理论计算结果相符。范尚崇等 为解决黄岩汇煤矿 工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了不同层位下的高抽巷抽采效果，最终确定了高抽巷的层位以及瓦斯治理效果。王建国等 研究了高抽巷对采空区注氮放灭火的效果，通过改变注氮口的位置和注氮量，分析采空区自燃氧化带的范围。张利军等 针对潞安集团漳村矿回采初期瓦斯涌出异常问题，采用贯通倾斜高抽巷的方法解决了瓦斯超限的这一问题。李忠等 采用数值模拟的方法对煤层群回采 后的 应 力等 特 征。梁 成 等 采 用 软件模拟分析了高抽巷的布置参数对采空区瓦斯与氧气的分布情况。赵林等 模拟了高抽巷瓦斯抽采流量和位置不同时，回风巷内瓦斯浓度的变化规律。罗明坤 对比分析综掘设备的效果，分析发现，引进的设备效果更好，日均进尺数、施工效率均得到很大提升。以上学者对高抽巷的布置和影响因素做了详细的研究工作，但是基于余吾煤业潞安矿区 工作面的实际问题：临近工作面以及其周围巷道对本工作面高抽巷位置的影响，尚未有学者对此类问题展开研究。本文以 工作面高抽巷为研究背景，结合理论计算，通过数值模拟研究高抽巷的布置参数，解决临近工作面以及其周围巷道对本工作面高抽巷位置的影响这一问题，对 回采工作面的安全生产及同类井下实际问题提供了一定的依据。高抽巷水平布置参数计算距离煤层顶板的垂距和距离工作面回风平巷的水平距离是决定高抽巷位置两个主要参数。公式（）的计算可以得到高抽巷水平位置。犾犺（犾犎 ）（犾犺 ）（）其中：犾为距回风巷的水平距离，；犺为距顶板的垂距，；犾为距犗形圈外边界的距离，可取 ；为煤层与裂隙到开采边界连线的夹角，取值为 ；为煤层倾角，取。经求，犾 。即高抽巷布置参数犺为 ，犾小于 。因此，回采工作面布置高抽巷时应基本满足以下条件：高抽巷应该布置在距工作面煤层顶板 的范围内，距 回风巷水平距离应控制在 以内，这主要是裂隙带的高度。由于高抽巷需要在工作面整个回采前以及回采周期内持续工作，必须使得其在工作面掘进和推进过程中受到工程扰动影响尽可能最小，因此设置在应力降低区显得尤为重要。考虑到整个工作面是采用型通风的方式进行送风作业，易在上隅角处形成瓦斯的积聚，在考虑到经济和瓦斯抽采效果的基础上，应尽量减少高抽巷距回风巷的水平距离。模型建立与分析采用 软件模拟井下开采情况，研究在临近 工作面及其高抽巷的影响下，高抽巷 逐 步 开 挖 模 型。模 型 的 大 小 为 。高抽巷大小，顺槽巷道大小，工作面模型大小 ，模型如图所示。随后进行计算至模型稳定。距煤层顶板的垂距犺的取值通过计算号煤层回采工作面上方的裂隙带高度来确定。采用工程类比法，结 合 相 邻 矿 井 的 经 验，犺的 取 值 为 、。距 回风平巷的水平距离犾的取值要根据高抽巷布置原则、工作面长度和经济技术条件进行选择。本研究根据现场实际情况设犾为、。总共有高抽巷布置的种方案，见表所示。第期武海涛：余吾矿高抽巷合理位置参数研究（）（）图计算模型（正视图）（）表不同模拟方案 方案犾犺 高抽巷开挖应力对比分析为了分析高抽巷超前应力的分布规律，对布置在高抽巷前方铅直方向的测线应力进行监测、记录，数据经分析处理后，如图所示。）从图（）中可看出：垂距为 时，高抽巷与回风巷内错距为、，超前垂直应力曲线均存在一个峰值。高抽巷与回风巷道内错距为时，随超前距离的变化增长到时应力增大到峰值为 。随后，随着超前距离的增加，超前垂直应力迅速降低，巷道超前距离在 以后的超前应力值降为原岩应力，为 。高抽巷与回风巷内错距为 和 时，超前垂直应力 在 超 前 距 离 达 到 时 达 到 峰 值，分 别 为 和 。随着超前距离的增大，超前应力下降，分别降到 和 。）垂距增加到 时，超前垂直应力随着超前距离的增加表现出先迅速增加达到峰值后又减小，恢复到原岩应力状态。超前距离为时，回风巷的内错距为、的超前垂直应力达到最大峰值 。内错距为 时，超前垂直应力在时达到峰值 。从图（）中可以看出，随着内错距的增加，超前应力的峰值和稳定值都会呈现规律的变化趋势。监测种不同垂距条件下的超前应力发现，随着高抽巷与工作面回风巷的内错距增大，超前应力的峰值和稳定值均呈现很明显的下降趋势。当垂距为 时，内错距对超前应力的影响最大。但是内错距继续由 增大到 时，超前应力的变化量又出现减少。）从图（）中可以看出，高抽巷与回风巷道内错距为、和 时，超前垂直应力随超前距离的变化曲线均表现出先增加到一个小的波峰，随后有一个小的下降过程，又迅速增加大峰值，最后下降并保持一稳定数值附近。高抽巷与回风巷内错距为时，超前垂直应力在超前距离为左右时出现最大峰值，为 ，随超前距离的增加，最后降为 左右。高抽巷与回风巷内错距为 和 时，其超前垂直应力变化曲线与高抽巷与回风巷内错距为时变化趋势基本相同。综合分析图（）、（）和（）发现，随着垂距的增加，对顶板超前应力的影响效果也随之降低。在 和 的垂距设置条件下，顶板超前应力的峰值和稳定值均呈现持续降低趋势。当高抽巷垂距超过 时，打抽放钻孔会增加更大的生产投入山西煤炭第 卷成本，而且耗费时间。（）垂距为 时的超前应力分布（）垂距为 时的超前应力分布（）垂距为 时的超前应力分布图不同层位高抽巷超前应力分布曲线图 对布置的水平测线进行应力测试，测试结果如图所示。从图（）中可以看出垂距为时，高抽巷距离顶板垂高不同，两帮侧应力与水平距离之间的关系。垂高为 与垂高为 和 时两帮侧应力分布曲线存在较大差别。垂高为 时，呈现出现迅速上升，在水平距离为时出现第一个小的波峰，随后增长速度缓慢，在水平距离为时出现第二个波峰，波峰值达到 ；然后开始呈下降趋势，在水平距离为 左右时出现上升速度较快，出现一个比较陡的波峰，随后迅速下降。垂高为 和，两帮侧应力曲线形状相似，垂高为 的曲线各点波峰值均高于垂高为 的曲线。初始应力值也不相同，垂高为 的初始侧应力值为 ，大于垂高为 的初始侧应力值（）。从图（）中可以看出，垂距为 时，垂高为 的侧应力曲线变化最明显。垂高为 时初始侧应力值为 ，随着水平距离的增加，两帮侧应力曲线呈现出先缓慢增长 后缓 慢 下 降，后 又逐 渐 上 升，在 水平距离为 左右时存在一个波峰，峰值在 。垂高为 和 时，两帮侧应力曲线形状与垂距为时的曲线相似，只是初始侧应力值和侧应力降为零时所对应的水平距离边长，在 范围内。（）垂距为时的侧应力分布（）垂距为 时的侧应力分布（）垂距为 时的侧应力分布图不同层位高抽巷侧应力分布曲线图 第期武海涛：余吾矿高抽巷合理位置参数研究从图（）中可以看出垂距为 时，高抽巷距顶板垂高为、和 时两帮侧应力曲线，与垂距为 时变化趋势基本相同，初始侧应力值和侧应力值降为零时所对应的水平距离略有不同。随着垂距的增加，垂高为 和 的两帮侧应力降低为零时的水平位移发生了外移。垂高为 时两帮侧应力值在垂距为 和 时变化比较平稳。对水平测线进行应力测试，测试结果如图所示。从图（）中可以看出，垂距为 时，高抽巷与回风巷内错距为时顶板垂直应力初始值为 ，高于内错距为 和 时的初始垂直应力值。随着垂直距离的增大，垂直应力值逐渐减小，在大约 处，三条曲线的顶板垂直应力值相同，均降到 左右。从图（）中可以看出，垂距为 时，三条垂直应力的初始值均减小。内错距为 和 的垂直应力曲线基本重合。内错距为的垂直应力曲线波动比较大，最后三条 曲 线 随 着 垂 直 距 离 的 增 大，应 力 值 保 持 在 附近。图（）中，内错距不同时，三条曲线的初始垂直应力值相比于垂距为 时，变化很小。顶板的垂直应力随着距离的增大均缓慢下降，最后趋于稳定，保持在 附近。综合分析，端头处的垂直应力的大小不仅与垂距有关，还随着内错距的增加而降低。尤其是在垂距为 时，当内错距由增大到 时，垂直应力降低的变化量最大，约；但随着垂距增加到 和，增大内错距对垂直应力变化量（）垂距为 时的垂直应力分布（）垂距为 时的垂直应力分布（）垂距为 时的垂直应力分布图不同层位高抽巷垂直应力分布曲线图 的影响降低。因此，高抽巷距离 工作面顶板 垂距的位置最为合理。结语为了确定余吾煤业潞安西部矿区 工作面高抽巷的位置，确保 工作面回采工作时能够平稳地进行瓦斯抽放，并保证工作面的安全与稳定，采用 建立了 高抽巷在临近 工作面及其高抽巷影响下的三维数值模型。通过研究分析 高抽巷布置在距离工作面回风巷内错、，与煤层顶板垂距为、时的超前垂直应力、两帮垂直应力、两帮侧应力的变化来确定巷道的最佳布置位置。结果表明：最终确定 工作面高抽巷的最佳位置是与煤层顶板垂直距离为，与 工作面回风巷内错距为 时能够保证其受到合理的地应力影响从而保持安全稳定的运行状态。参考文献：张聪华走向高抽巷合理布置位置参数研究煤矿现代化，（）：，（）：安然，王文才综放工作面高抽巷合理位置的研究包钢科技，（）：，山西煤炭第 卷 ，（）：刘瑞涛顶板高抽巷合理布置的研究与实践煤，（）：，（）：张栋，张帅，王霞，等分层充填沿空留巷瓦斯治理技术研究采矿与安全工程学报，（）：，（）：徐永佳高瓦斯矿井高抽巷合理布置及终巷位置确定研究煤炭科学技术，（）：，（）：薛智勇瓦斯高抽巷合理位置研究山东煤炭科技，（）：，（）：解俊祥，王红胜，樊启文，等卸压瓦斯抽采钻孔终孔合理位置确定方法煤矿安全，（）：，（）：官安龙，胡新宇高抽巷抽采条件下采空区瓦斯运移规律研究煤，（）：，（）：庄小威，韩星迎采动面高抽巷受邻近工作面动压影响分析内蒙古煤炭经济，（）：，（）：安朝峰高抽巷抽采对煤自燃带影响的理论分析陕西煤炭，（）：，（）：李忠，张慧杰，郝秀明，等近距离煤层群走向高抽巷层位布置研究中国煤炭，（）：，（）：范尚崇，杨宏民，邱向雷，等高抽巷合理层位的确定方法与应用河南理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：王建国，盖金梦，武睿萌高抽巷抽采下采空区注氮对煤自燃氧化带的影响矿业研究与开发，（）：，（）：张利军，张东鹏，张天明，等基于后倾斜高抽巷为主体的坚硬顶板综放工作面初采期瓦斯综合治理煤矿安全，（）：，（）：李忠，张慧杰，贾恒义，等煤层群条件下高抽巷合理层位布置的数值模拟研究山西焦煤科技，（）：，（）：梁成，任浩，王伟峰高抽巷布设参数对采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的影响煤炭技术，（）：，（）：赵林，者倩，邹治，等新集一矿综放工作面瓦斯高抽巷技术陕西煤炭，（）：，（）：罗明坤高抽巷综合机械化快速掘进技术研究与应用矿业工程研究，（）：，（）：（编辑：单婕）第期武海涛：余吾矿高抽巷合理位置参数研究