建新煤礦頂板巷道布置及參數(shù)優(yōu)化研究

1、建新煤礦頂板巷道布置及參數(shù)優(yōu)化研究關(guān)鍵詞：煤礦礦井；頂板巷道；瓦斯治理；覆巖移動(dòng)變形；“O”形圈理論1工程背景 豐城礦務(wù)局建新煤礦是全國(guó)突出嚴(yán)重礦井之一。從2000年到2007年先后發(fā)生了強(qiáng)度大小的煤與瓦斯突出事故11起，最大突出煤量為1110t，最大瓦斯涌出量為86670m3。建新煤礦在防治突出方面也采取很多相關(guān)的技術(shù)措施，由于該礦的主采煤層為單B4煤層，B4煤層為中厚煤層，煤厚1.24.0m，平均2.4m。傾角810。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層的中下部大多含夾矸一層，局部?jī)蓪?，巖性為炭質(zhì)頁(yè)巖，厚0.10.4m，夾矸比較穩(wěn)定，呈現(xiàn)東薄西厚的趨勢(shì)。煤層偽頂巖性為炭質(zhì)粉砂巖或炭質(zhì)頁(yè)巖，一般厚00.4m，

2、平均厚度0.2m，具西薄東厚變化趨勢(shì)，中央采區(qū)西部常無偽頂，東翼采區(qū)局部厚0.6-1.2m。直接頂為深灰色細(xì)粉砂巖，底部含煤線，整層多含極薄層的細(xì)砂巖條帶與粉砂巖互層，厚68m，最大為10m，層厚較穩(wěn)定。老頂為灰色石英細(xì)砂巖，裂隙較發(fā)育，厚3N5m。偽底為鱗片狀灰黑色炭質(zhì)泥巖，西翼邊界處為黑色細(xì)鱗片狀炭質(zhì)頁(yè)巖，厚00.3m，平均0.1m。直接底為淺灰、灰白色粘土巖，含豐富植物根化石，遇水易膨脹，厚0.41.0m。老底為灰黑色泥質(zhì)砂質(zhì)粉砂巖，含較多的煤線和黃鐵礦線理，水平層理清晰，含大量的植物葉片化石，厚48m，具體如圖1所示： 礦井采用頂板巷和底板抽放巷作為區(qū)域防突治理瓦斯技術(shù)措施，即底板抽放

3、巷采用上向穿層鉆孔條帶預(yù)抽上一工作面順槽范圍內(nèi)的瓦斯；頂板巷采對(duì)工作面回采期間解決本工作面上隅角瓦斯超限的問題。但是在一個(gè)工作面內(nèi)施工兩條巖石巷道一底板巖巷和頂板巖巷，從經(jīng)濟(jì)角度考慮不是很合理，同時(shí)還嚴(yán)重影響礦井采掘接替。在此情況下采用頂板巷道及下向穿層鉆孔是最為經(jīng)濟(jì)、合理的綜合治理瓦斯技術(shù)措施，使得頂板巷道達(dá)到“一巷兩用”的目的。所以頂板巷道的合理布置就成了該技術(shù)措施的關(guān)鍵所在。 2采場(chǎng)覆巖移動(dòng)變形的變化規(guī)律 根據(jù)關(guān)鍵層理論可得，煤層開采后在上覆巖層中形成兩類裂隙一類是離層裂隙，是指隨巖層下沉在不同巖性地層之間出現(xiàn)的沿層面裂隙，它可以使煤層產(chǎn)生膨脹變形而使得煤層瓦斯卸壓，并使得卸壓瓦斯沿離層

4、裂隙流動(dòng)：另一類是豎向破斷裂隙，是指隨巖層下沉破斷形成的穿層裂隙，它可以溝通上、下巖層間瓦斯，如圖2所示。覆巖離層出現(xiàn)的必要條件為：上層撓度f(wàn)上小于下層撓度f(wàn)下。由于關(guān)鍵層與其控制的上覆巖層同步協(xié)調(diào)下沉，故破斷前關(guān)鍵層與其控制的上覆巖層層間不易出現(xiàn)離層，離層主要在各關(guān)鍵層下出現(xiàn)，而軟弱巖層間離層較小。 試驗(yàn)結(jié)果表明，關(guān)鍵層下沿走向任一點(diǎn)的商層同樣經(jīng)歷了由小一大一小并穩(wěn)定的過程，采空區(qū)中部離層趨于閉合，而在采空區(qū)兩側(cè)仍然各保持一個(gè)離層發(fā)育區(qū)。因此從平面上看，由于關(guān)鍵層破斷是形成的“砌體梁“結(jié)構(gòu)，在采空區(qū)四周存在一沿層面橫向連通的采動(dòng)離層發(fā)育區(qū)，稱之為采動(dòng)裂隙“o”形圈，如圖3所示。 由于長(zhǎng)壁工作

5、面開采后，上覆巖層采動(dòng)裂隙呈現(xiàn)“o”形圈分布規(guī)律，在采空區(qū)兩側(cè)的寓層和豎向破斷裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，煤層瓦斯得到了很大卸壓空間。煤層瓦斯在此區(qū)域裂隙內(nèi)流動(dòng)，一方面在大裂隙內(nèi)，煤層瓦斯從沒有裂隙的煤體中以擴(kuò)散的方式流動(dòng)至周圍裂隙中；另一方面在小尺寸裂隙(微裂隙)中，煤層瓦斯在瓦斯壓力梯度的作用下，以滲流的方式運(yùn)移到此區(qū)域各裂隙中。所有裂隙均為煤層瓦斯的流動(dòng)提供了有利的通道，”o”形圈相當(dāng)于一條“瓦斯河”，周圍煤巖體中的瓦斯解析后通過各種方式不斷地匯集到這條河中。因此，頂板巷道及下向穿層鉆孔均應(yīng)該布置在采動(dòng)裂隙“o”形圈內(nèi)，才能保證頂板巷道最為有效地抽到采空區(qū)破碎帶內(nèi)瓦斯以及鉆孔有較長(zhǎng)的抽放時(shí)間、較大的抽

6、放范圍、較高的瓦斯抽放效率。 3采場(chǎng)覆巖移動(dòng)變形數(shù)值模擬 根據(jù)“關(guān)鍵層”理論及采動(dòng)裂隙“o”形圈理論，確定頂板巖巷應(yīng)布置在上覆裂隙帶巖層中抽放效果最好。故采用數(shù)值模擬的方法來確定建新煤礦采場(chǎng)裂隙帶的高度，為頂板巷道的布置提供科學(xué)的參考依據(jù)。 3.1模擬方案 采用離散元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)的計(jì)算模型為：長(zhǎng)度為200m，高度為54m，煤層埋深為650m，工作面長(zhǎng)度為150m，剩余上覆巖層產(chǎn)生的重力作為邊界條件采用載荷加載的方法進(jìn)行模擬，即地應(yīng)力是以自重應(yīng)力為主的垂直地應(yīng)力為主。 為了分析研究出頂板巖巷合理的布置方式，就影響頂板巖巷的相對(duì)位置關(guān)系的兩個(gè)主要參數(shù)：與煤層的距離和與工作面回風(fēng)巷

7、距離進(jìn)行分析、計(jì)算。 根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律：工作面瓦斯?jié)舛妊貎A斜方向上，采面瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸增加，從進(jìn)風(fēng)側(cè)到采面中部范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓淮?，采面中部到回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍黾虞^快，尤其是靠近回風(fēng)側(cè)30m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛容^高，造成這種分布規(guī)律的主要原因是風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)經(jīng)過采場(chǎng)時(shí)，有部分分流至采面中部逐漸進(jìn)入采空區(qū)，漏入采空區(qū)的風(fēng)流從工作面后半段又重新回到工作面，同時(shí)將采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯帶進(jìn)工作面，使工作面瓦斯?jié)舛戎饾u增加。所以確定頂板巖巷與回風(fēng)巷水平距離在30m左右范圍，故頂板巖巷與工作面回風(fēng)苦水平距離取為20m、30m、40m分別進(jìn)行數(shù)值模擬。頂板巖巷是治理工作面瓦斯的可行措施之一，

8、是解決采空區(qū)臨近層瓦斯涌出的有效途徑，但是頂板巖巷是否起到較好的效果，關(guān)鍵是頂板巖巷一定要處于采空區(qū)裂隙帶內(nèi)，此處透氣性較好，又要處于瓦斯富集區(qū)，才能抽到高濃度瓦斯，同時(shí)，巷道布置在裂隙帶內(nèi)，整個(gè)巷道變形不會(huì)嚴(yán)重影響抽放工作的進(jìn)行。故頂板巖巷與煤層垂直距離取8m、1Om、12m、15m、18m分別進(jìn)行數(shù)值模擬。 那么根據(jù)分析對(duì)比確定了采用正交法，確定頂板巖巷與煤層的垂直距離和與工作面回風(fēng)巷水平距離。采用正交設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如表所示： 3.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析 通過采用正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)頂板巖巷與煤層垂直距離和與工作面回風(fēng)巷水平距離的不同工況進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，模擬結(jié)果具體詳見圖4所示。(a)與煤層

9、垂直距離8m；(b)嶼煤層垂直距離lOm；(c)與煤層垂直距離12m；(d)與煤層垂直距離15m 圖4不同工況下頂板巷道中線下沉量變化規(guī)律 通過數(shù)值模擬可以看出，無論頂板巖巷與煤層垂直距離是多少，當(dāng)頂板巖巷與工作面回風(fēng)巷水平距離為20m時(shí)，頂板巖巷中線上各點(diǎn)的下沉量最小，同時(shí)，頂板巷道在此區(qū)域內(nèi)裂隙也是最為發(fā)育，有利于瓦斯的流動(dòng)，為頂板巖巷作為高位抽放巷有效抽放工作面瓦斯提供了有利的條件。在大于20m的范圍內(nèi)，工作面回采后，由于上覆巖層的重新壓實(shí)，形成整體移動(dòng)，巖層的下沉量大，同時(shí)使得采動(dòng)裂隙在逐漸閉合，要是頂板巖巷布置在這個(gè)區(qū)域，對(duì)工作面及采空區(qū)瓦斯抽放極為不利，使得抽放效果較差。所以根據(jù)數(shù)

10、值模擬得到頂板巖巷與工作面回風(fēng)巷水平距離為20m。 同時(shí)，在工作面開采以后，上覆巖層發(fā)生移動(dòng)后縱向上呈現(xiàn)“三帶”分布，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，冒落帶的高度為810m;裂隙帶的高度為10-15m：彎曲下沉帶高度就是15m以上。圖5為不同頂板巖巷布置高度與頂板巖巷頂部沿垂直方向上的位移關(guān)系，從圖可以看出，當(dāng)頂板巖巷布置在8-10m位置，其頂部沿垂直方向上的位移最大，并呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)：當(dāng)頂板巖巷與煤層的垂直距離增加到12時(shí)，其頂部沿方向上的位移開始突然下降，并保持較為穩(wěn)定的發(fā)展：以后頂板巖巷與煤層距離繼續(xù)增加，但是其沿垂直方向的位移值變化不大。 綜上所述，確定頂板巖巷的合理布置位置選擇在垂直距離煤層12m；與工作面回風(fēng)巷水平距離20m。 4結(jié)語(yǔ) 通過對(duì)建新煤礦工作面開采后上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律的分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果得10如下結(jié)論： (1)建新煤礦采場(chǎng)上覆巖層變形后呈明顯的“三帶”分布，冒落帶的高度為8-10m；裂隙帶的高度為10-15m；彎曲下沉帶高度為15m以上。 (2)根據(jù)“關(guān)鍵層”及“o”形圈理論，頂