高瓦斯矿井综采工作面低抽巷布置及抽采效果分析

李大冬,李德慧

(1.华阳一矿通风工区，山西 阳泉 045000；
2.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西 晋城 048012)

瓦斯灾害是制约煤矿安全高效生产的关键因素之一,综采工作面回采中受采动影响，上覆围岩发生变形破坏,产生的覆岩裂隙成为卸压瓦斯运移、富集的通道，综采工作面回采中上隅角由于风流速度慢,本煤层、邻近层和采空区瓦斯在上隅角易形成积聚,造成上隅角瓦斯超限[1],制约矿井安全高效生产。当前随着我国煤矿开采深度逐年增加，矿井回采工作面机械化程度提高，吨煤日产量越来越大，导致回采工作面瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯治理困难[2-3]。

当前高抽巷、高位钻孔、顶板走向长钻孔、低抽巷、上隅角埋管及Y型通风等方法是上隅角瓦斯治理的主要手段[4]。

阳泉矿区和潞安矿区针对高瓦斯矿井综采工作面放顶煤开采过程中的瓦斯治理难题，专门开展了高位抽采巷和低位抽采巷的相关研究及应用。应用发现，高位抽采巷对采空区深部瓦斯治理能力高，但对上隅角瓦斯治理能力有限，而低位抽采巷对工作面回采期间上隅角及回风巷瓦斯治理效果好，有效控制上隅角及回风巷瓦斯浓度。针对高瓦斯突出矿井，工作面回采过程中利用低抽巷治理上隅角瓦斯积聚问题,可实现降低上隅角瓦斯浓度的目的。国内众多学者对综采工作面低抽巷瓦斯治理理论和技术应用进行了大量研究,范小龙[5]基于低抽巷瓦斯抽采原理，通过理论分析研究了低抽巷的布置及应用；
马强等[6]通过对低抽巷抽采机理分析，给出了低抽巷的设计原则，综合理论计算、覆岩层位考察和顶板岩性分析的方法确定了王坡煤矿低抽巷垂向布置的层位；
张夏彭等[7]以理论计算、udec数值模拟和工作面实际瓦斯抽采相结合的方法分析了低抽巷在工作面的空间布置范围。

国内学者在低抽巷瓦斯抽采原理、理论分析、数值模拟和单一工作面瓦斯抽采方面进行了研究，但对于同一矿区不同工作面及同一工作面不同空间位置的低抽巷瓦斯抽采实践研究较少。笔者以华阳一矿回采工作面的低抽巷作为研究对象，对低抽巷的空间位置选择进行理论研究及生产效果分析，为高瓦斯矿井低抽巷在上隅角瓦斯抽采方面提供经验借鉴。

华阳一矿位于沁水煤田北部，矿井东西走向长14.5 km，南北宽10 km，面积83.6 km2，是年核定生产能力750万t的高瓦斯矿井。井田内断层和褶皱构造的复杂程度均为Ⅱ类，陷落柱复杂程度为Ⅳ类，15号煤层全区可采，煤厚6.35～7.88 m，平均7.49 m.煤层倾角在1～13°，平均3°.81403工作面走向长1 345 m，倾斜长226 m，面积303 970 m2.工作面煤层赋存稳定，结构复杂，平均煤厚7.24 m.煤层倾角2～9°，平均4°.工作面共布置5条巷道:进风巷、回风巷、低位抽采巷、走向高抽巷、切割巷，工作面采用综合机械化低位放顶煤一次采全高采煤工艺，见图1.

图1 81403工作面巷道布置及生产系统

2.1 低位抽采巷原理

工作面煤层回采后，逐渐形成巨大空洞，垂向上，工作面的上覆岩层自下而上会逐渐遭受变形破坏，经过一定程度的垂向运动变化后又趋于稳定。而水平方向上，随着工作面的推进，地应力随之变化并重新分布。这就是煤岩层的时空演化过程，最终会形成“竖三带”和“横三区”[8-10]，即:在采空区垂向上由下而上划分形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带;沿工作面回采方向和倾斜方向划分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区(如图2所示)。

图2 高、低抽巷布置及“三带”分布示意

由于瓦斯的密度相对较低，随着工作面的回采，形成采空区后，上覆岩层不断变形破坏，煤层中不断涌出的瓦斯上浮进入上覆岩层的“竖三带”中，并汇聚。低抽巷瓦斯抽采基于受采动影响后瓦斯在上覆岩层“竖三带”的垂向分布规律和运移集聚特征，将低抽巷布置在垮落带和裂隙带的交界处，对进入回风隅角内的瓦斯进行拦截、汇集抽采进低抽巷内，同时降低回风巷内的瓦斯，降低矿井内的风排瓦斯，提高矿井瓦斯利用率。

2.2 低抽巷空间布置选择

低抽巷垂向上须考虑工作面回采中采动卸压后煤岩体渗透性增加、上覆岩层垮落及瓦斯运移的相关性[11-12]，将低抽巷布置在垮落带顶部,工作面回采后煤层顶底板因失去支撑卸压，在上隅角积聚的本煤层、邻近层和采空区瓦斯受低抽巷抽采负压作用，被低抽巷将集聚的瓦斯抽出,达到有效降低工作面上隅角瓦斯的目的。

低抽巷空间布置参数的选择与高抽巷相近，在保障巷道稳定性基础上及时有效地抽采上隅角瓦斯，低抽巷垂向上应布置于垮落带的顶部与裂隙带之间。低抽巷与回风巷水平间距的确定需根据综采工作面采高及通风系统的巷道布置情况综合确定。

1) 垂向层位优选。华阳一矿15号煤层顶板岩性为黑色泥岩和深灰色石灰岩，属中硬顶板(见图3)。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》关于垮落带和导水裂隙带高度的经验公式并结合华阳一矿15号煤层覆岩特性，垮落带高度可按式(1)计算[13]：

图3 81403工作面综合柱状图

(1)

式中：H为垮落带高度，m；
∑M为累计采厚，取工作面平均厚度7.24 m.计算得：垮落带最大高度范围为11.45～15.85 m.

2) 水平间距选择。综采面回采中，根据采动覆岩瓦斯的运移特征，回风巷一侧的瓦斯浓度高，低抽巷抽采的是上隅角瓦斯，故应布置在靠近回风巷一侧以实现对上隅角区域瓦斯的有效覆盖。综合考虑工作面通风系统的巷道布置情况，华阳一矿高抽巷距回风巷的水平布置间距为15～20 m，为降低高抽巷与低抽巷间的干扰，保证低抽巷对回风隅角的负压抽采作用，将低抽巷布置在靠近回风巷一侧的垮落带的最大高度范围内，即：

L=H/tan(α+β)≤15 m

(2)

式中：L为顶板未卸压区域与回风巷的水平间距，m；
H为低抽巷距15号煤层顶板的垂高，取11.45～15.85 m；
α为煤层倾角，取4°；
β为卸压角，取65°.

综上计算得：顶板未卸压区域与回风巷的水平间距L为4.40～6.08 m.即6.08

以华阳一矿开采15号煤层的8304、81403、81303、81210等4个工作面为研究对象，分析推进速度2～3 m/d时的瓦斯抽采效果，通过对4个不同工作面回采时收集的低抽巷瓦斯浓度、低抽巷瓦斯纯量和上隅角瓦斯浓度的数据整理(见图4)，分析得出低抽巷距离15号煤层间距分别为7.73 m、11.54 m、14.08 m、16.92 m的变化过程中，低抽巷抽采的瓦斯浓度和纯量均呈先增大后减小的变化趋势，而工作面上隅角瓦斯浓度的变化相反，整体呈先减小后增大的变化趋势。81403工作面较其他3个工作面的低抽巷布置抽采效果最好，验证了理论计算的低抽巷最优布置范围为12 m左右，81403工作面低抽巷瓦斯浓度为2.27%，低抽巷瓦斯纯量为10.53 m3/min，上隅角瓦斯浓度为0.37%.

图4 不同工作面低抽巷瓦斯抽采效果图

在4个工作面回采时低抽巷瓦斯抽采参数分析基础上，笔者对81403工作面的回风巷瓦斯浓度、回风巷瓦斯纯量、低抽巷瓦斯浓度、低抽巷瓦斯纯量及上隅角瓦斯浓度数据进行独立分析(见图5)，发现81403工作面回采过程中低抽巷距15号煤层间距分别为5.84 m、6.66 m、7.61 m、8.56 m、9.69 m、10.39 m、11.72 m、14.05 m、15.13 m、16.52 m的变化过程中，81403工作面低抽巷瓦斯浓度和纯量基本呈先增大后降低的变化趋势，而工作面上隅角瓦斯浓度的变化与低抽巷恰好相反，整体呈先减小后增大的变化趋势。81403工作面回风巷瓦斯的浓度和纯量整体表现为先降低后增大的变化趋势，但在9～14 m的层位范围出现了波动的情况，尤其是回风巷瓦斯的浓度。

图5 81403工作面低抽巷瓦斯抽采效果图

综上81403工作面回采过程中低抽巷距15号煤间距为11～14 m时，各项抽采数据综合比较最优，具体为低抽巷与15号煤间距为11.72 m时，回风巷瓦斯浓度为0.39%，回风巷瓦斯纯量3.11 m3/min，低抽巷瓦斯浓度3.01%，低抽巷瓦斯纯量14.03 m3/min，上隅角瓦斯浓度0.40%.

1) 理论计算结合工作面回采时低抽巷瓦斯抽采参数变化规律分析得出，华阳一矿工作面上“三带”中垮落带最大高度范围为11.45～15.85 m.同时认为12 m左右为低抽巷垂向上的最佳部署层位，低抽巷布置在距回风巷水平距离10 m处。

2) 统计不同工作面的低抽巷瓦斯抽采参数，低抽巷在7.73 ～16.92 m范围内的瓦斯抽采浓度和纯量均呈先增大后减小的变化趋势，而工作面上隅角瓦斯浓度的变化相反，整体呈先减小后增大的变化趋势。

3) 81403工作面回采过程中，不同空间位置的低抽巷瓦斯抽采参数显示低抽巷距15号煤间距在12 m时的各项抽采数据综合比较最优，回风巷瓦斯浓度为0.39%，上隅角瓦斯浓度为0.40%，低抽巷是一种有效治理工作面上隅角的技术手段。