建新煤矿顶板巷道布置及参数优化研究

摘要：文章在分析采场覆岩移动变形规律的基础上，利用“O”形圈卸压瓦斯抽放理论，采用正交设计的原理。对矿井开采覆岩移动变形进行数值模拟，得到采场上覆岩层的“三带”分布规律，并对顶板巷道进行优化设计。通过合理化布置顶板巷道的方式，为经济、合理地综合治理单一突出煤层瓦斯问题提供了重要的参考和借鉴作用。

关键词：煤矿矿井；顶板巷道；瓦斯治理；覆岩移动变形；“O”形圈理论

中图分类号：TD53　文献标识码：A　文章编号：1009-2374(2011)01-0111-03

1　工程背景

丰城矿务局建新煤矿是全国突出严重矿井之一。从2000年到2007年先后发生了强度大小的煤与瓦斯突出事故11起，最大突出煤量为1110t，最大瓦斯涌出量为86670m3。建新煤矿在防治突出方面也采取很多相关的技术措施，由于该矿的主采煤层为单―B4煤层，B4煤层为中厚煤层，煤厚1.2～4.0m，平均2.4m。倾角8°～10°。煤层结构简单，煤层的中下部大多含夹矸一层，局部两层，岩性为炭质页岩，厚0.1～0.4m，夹矸比较稳定，呈现东薄西厚的趋势。煤层伪顶岩性为炭质粉砂岩或炭质页岩，一般厚0～0.4m，平均厚度0.2m，具西薄东厚变化趋势，中央采区西部常无伪顶，东翼采区局部厚0.6-1.2m。直接顶为深灰色细粉砂岩，底部含煤线，整层多含极薄层的细砂岩条带与粉砂岩互层，厚6～8m，最大为10m，层厚较稳定。老顶为灰色石英细砂岩，裂隙较发育，厚3N5m。伪底为鳞片状灰黑色炭质泥岩，西翼边界处为黑色细鳞片状炭质页岩，厚0～0.3m，平均0.1m。直接底为浅灰、灰白色粘土岩，含丰富植物根化石，遇水易膨胀，厚0.4～1.0m。老底为灰黑色泥质砂质粉砂岩，含较多的煤线和黄铁矿线理，水平层理清晰，含大量的植物叶片化石，厚4～8m，具体如图1所示：

矿井采用顶板巷和底板抽放巷作为区域防突治理瓦斯技术措施，即底板抽放巷采用上向穿层钻孔条带预抽上一工作面顺槽范围内的瓦斯；顶板巷采对工作面回采期间解决本工作面上隅角瓦斯超限的问题。但是在一个工作面内施工两条岩石巷道一底板岩巷和顶板岩巷，从经济角度考虑不是很合理，同时还严重影响矿井采掘接替。在此情况下采用顶板巷道及下向穿层钻孔是最为经济、合理的综合治理瓦斯技术措施，使得顶板巷道达到“一巷两用”的目的。所以顶板巷道的合理布置就成了该技术措施的关键所在。

2　采场覆岩移动变形的变化规律

根据关键层理论可得，煤层开采后在上覆岩层中形成两类裂隙一类是离层裂隙，是指随岩层下沉在不同岩性地层之间出现的沿层面裂隙，它可以使煤层产生膨胀变形而使得煤层瓦斯卸压，并使得卸压瓦斯沿离层裂隙流动：另一类是竖向破断裂隙，是指随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它可以沟通上、下岩层间瓦斯，如图2所示。覆岩离层出现的必要条件为：上层挠度f上小于下层挠度f下。由于关键层与其控制的上覆岩层同步协调下沉，故破断前关键层与其控制的上覆岩层层间不易出现离层，离层主要在各关键层下出现，而软弱岩层间离层较小。

试验结果表明，关键层下沿走向任一点的商层同样经历了由小一大一小并稳定的过程，采空区中部离层趋于闭合，而在采空区两侧仍然各保持一个离层发育区。因此从平面上看，由于关键层破断是形成的“砌体梁“结构，在采空区四周存在一沿层面横向连通的采动离层发育区，称之为采动裂隙“o”形圈，如图3所示。

由于长壁工作面开采后，上覆岩层采动裂隙呈现“o”形圈分布规律，在采空区两侧的寓层和竖向破断裂隙发育区内，煤层瓦斯得到了很大卸压空间。煤层瓦斯在此区域裂隙内流动，一方面在大裂隙内，煤层瓦斯从没有裂隙的煤体中以扩散的方式流动至周围裂隙中；另一方面在小尺寸裂隙(微裂隙)中，煤层瓦斯在瓦斯压力梯度的作用下，以渗流的方式运移到此区域各裂隙中。所有裂隙均为煤层瓦斯的流动提供了有利的通道，”o”形圈相当于一条“瓦斯河”，周围煤岩体中的瓦斯解析后通过各种方式不断地汇集到这条河中。因此，顶板巷道及下向穿层钻孔均应该布置在采动裂隙“o”形圈内，才能保证顶板巷道最为有效地抽到采空区破碎带内瓦斯以及钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放效率。

3　采场覆岩移动变形数值模拟

根据“关键层”理论及采动裂隙“o”形圈理论，确定顶板岩巷应布置在上覆裂隙带岩层中抽放效果最好。故采用数值模拟的方法来确定建新煤矿采场裂隙带的高度，为顶板巷道的布置提供科学的参考依据。

3.1　模拟方案

采用离散元数值模拟软件进行数值模拟，设计的计算模型为：长度为200m，高度为54m，煤层埋深为650m，工作面长度为150m，剩余上覆岩层产生的重力作为边界条件采用载荷加载的方法进行模拟，即地应力是以自重应力为主的垂直地应力为主。

为了分析研究出顶板岩巷合理的布置方式，就影响顶板岩巷的相对位置关系的两个主要参数：与煤层的距离和与工作面回风巷距离进行分析、计算。

根据工作面瓦斯浓度分布规律：工作面瓦斯浓度沿倾斜方向上，采面瓦斯浓度从进风侧向回风侧逐渐增加，从进风侧到采面中部范围内瓦斯浓度变化不大，采面中部到回风侧瓦斯浓度增加较快，尤其是靠近回风侧30m范围内，瓦斯浓度较高，造成这种分布规律的主要原因是风流从进风侧经过采场时，有部分分流至采面中部逐渐进入采空区，漏入采空区的风流从工作面后半段又重新回到工作面，同时将采空区内高浓度瓦斯带进工作面，使工作面瓦斯浓度逐渐增加。所以确定顶板岩巷与回风巷水平距离在30m左右范围，故顶板岩巷与工作面回风苦水平距离取为20m、30m、40m分别进行数值模拟。

顶板岩巷是治理工作面瓦斯的可行措施之一，是解决采空区临近层瓦斯涌出的有效途径，但是顶板岩巷是否起到较好的效果，关键是顶板岩巷一定要处于采空区裂隙带内，此处透气性较好，又要处于瓦斯富集区，才能抽到高浓度瓦斯，同时，巷道布置在裂隙带内，整个巷道变形不会严重影响抽放工作的进行。故顶板岩巷与煤层垂直距离取8m、1Om、12m、15m、18m分别进行数值模拟。

那么根据分析对比确定了采用正交法，确定顶板岩巷与煤层的垂直距离和与工作面回风巷水平距离。采用正交设计的具体参数如表所示：

3.2　数值模拟结果及分析

通过采用正交设计的方法对顶板岩巷与煤层垂直距离和与工作面回风巷水平距离的不同工况进行离散元数值模拟，模拟结果具体详见图4所示。(a)――与煤层垂直距离8m；(b)―屿煤层垂直距离lOm；(c)――与煤层垂直距离12m；(d)――与煤层垂直距离15m

图4不同工况下顶板巷道中线下沉量变化规律

通过数值模拟可以看出，无论顶板岩巷与煤层垂直距离是多少，当顶板岩巷与工作面回风巷水平距离为20m时，顶板岩巷中线上各点的下沉量最小，同时，顶板巷道在此区域内裂隙也是最为发育，有利于瓦斯的流动，为顶板岩巷作为高位抽放巷有效抽放工作面瓦斯提供了有利的条件。在大于20m的范围内，工作面回采后，由于上覆岩层的重新压实，形成整体移动，岩层的下沉量大，同时使得采动裂隙在逐渐闭合，要是顶板岩巷布置在这个区域，对工作面及采空区瓦斯抽放极为不利，使得抽放效果较差。所以根据数值模拟得到顶板岩巷与工作面回风巷水平距离为20m。

同时，在工作面开采以后，上覆岩层发生移动后纵向上呈现“三带”分布，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，冒落带的高度为8～10m;裂隙带的高度为10-15m：弯曲下沉带高度就是15m以上。图5为不同顶板岩巷布置高度与顶板岩巷顶部沿垂直方向上的位移关系，从图可以看出，当顶板岩巷布置在8-10m位置，其顶部沿垂直方向上的位移最大，并呈现缓慢下降趋势：当顶板岩巷与煤层的垂直距离增加到12时，其顶部沿方向上的位移开始突然下降，并保持较为稳定的发展：以后顶板岩巷与煤层距离继续增加，但是其沿垂直方向的位移值变化不大。

综上所述，确定顶板岩巷的合理布置位置选择在垂直距离煤层12m；与工作面回风巷水平距离20m。

4　结语

通过对建新煤矿工作面开采后上覆岩层的移动变形规律的分析，结合数值模拟结果得10如下结论：

(1)建新煤矿采场上覆岩层变形后呈明显的“三带”分布，冒落带的高度为8-10m；裂隙带的高度为10-15m；弯曲下沉带高度为15m以上。

(2)根据“关键层”及“o”形圈理论，顶板巷道布置在采场上覆裂隙带范围内，同时考虑顶板巷道作为高抽巷，抽放工作面上隅角及采空区瓦斯，具体布置在垂直距离煤层12m，与工作面回风巷水平距离20m位置。

参考文献

[1]钱鸣高.刘听成.矿山压力及其控制[M]北京：煤炭工业出版社.1992.

[2]钱鸣高.缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003

[3]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社.2000