高瓦斯厚煤层综放工作面合理长度的确定

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科 苑论 坛 １【Ｉ
高瓦斯 易 自燃厚煤层放顶煤工作 面综合治 理光
黑龙 江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５ ０ １ （ 、 岗矿 业 集 团公 司通 风 处 ， １鹤 黑龙 江 鹤 岗 １４ ０ ２ 黑 龙 江煤 矿 安 全 监 察 局 ， ５ １０ 、
风流瓦斯经常超限。 由于该区系统内 巷道断面 施． ， 但是 效果不好 ， 回风流瓦斯仍然时有超限。 所 和回 阻力大， 造成配风困难。初期虽进行了调风， 但 以又采取 了调整通风系统增加工作面风量 的措 小 ， 近年来 ， 随着矿井延深 、 水平过渡 ， 煤的赋存 调风后工作面风量 ３ ０ ／ ｎ同日 在 ７ ｍ３ ， ｍｉ 风量 由 １０ ｍ／ｉ 加到 １ ０ｍ３ ｎ 但是 效果不明显， ０ ０ ３ ｎ增 ｍ ５０ ／ ， ｍｉ 条件越来越复杂 ， 块段的小 ， 断层多 ， 所以矿井瓦 施 ， ８Ｗ 斯涌 出量不断增大，集团公司矿井绝对瓦斯涌出 效果还是不理想 ， 回风流中的瓦斯仍然超限， 瓦斯 该 区机轨 ／ 瞅 络巷新鲜风流 中设一台 ２ Ｋ 风 稀释上隅角瓦斯 ， 配风量 量已达 ３ ８ ７ ／ ｎ掘进工作面瓦斯涌出量达到 浓度不但不降， ０ ． ｍ３ 。 ２ ｍｉ 而且略有增加。 这时尾巷中 逐渐出 机为工作面上隅角供风， ８ ｍ／ 。 ｍｉ 回风巷 瓦斯浓度仍然持续在 １％ ２ ３ ３ ｉ、采煤工作面瓦斯涌出量达到 ５ ３ ｉ， ｍ／ ｎ ｍ ｍ／ ｎ 这 现一氧化碳 ，一氧化碳浓 度越来越大 ，增到 了 ３ ５ ３ ｎ 此时， ｍ ５ 工作面被迫停产 。研究认为， 该面 由于 样的工作面在不断的增多。个别采煤工作面瓦斯 ０ ２ 对于上述问题 ， ． ％。 ０ 通过认真分析认为： 尾巷排 １ ％之间， 不具备掘送 专用排瓦斯巷条件 ， 因此 是 随 受条件限制， 涌出量高达 ６ ． ｍ３ ｎ ２ ５ ／ ，个别掘进工作面瓦斯涌 瓦斯措施不起作用 ， 由于工作面为仰斜开采 ， ３ ｍｉ 在 利用移动抽放 尾巷处于越来越低 的位 决定， 回风道补掘排瓦斯顶板巷， 出量达到了７ ／ ｎ ｍ３ 。给瓦斯治理及现场的安全管 着工作面不断向前推进 ， ｍｉ 对排瓦斯顶板巷进行抽放瓦斯。顶板巷布 理工作增加了相当大的难度。如何治理好瓦斯 ， 控 置 ，利用这样的尾巷排瓦斯 ，违背了瓦斯流动规 瓦斯泵， 内错工作面回风道 ５ ８ ～ ｍ布置 ， 由工作面回风 制住瓦斯事故是确保集 团 公司能否安全生产 的主 律。 所以， 利用处于低位的 尾巷排瓦斯是不起作用 置 ： 同时 将抽放瓦斯管路接至顶板排瓦 要 课题 。 的。因此 ， 决定停止尾巷排放瓦斯 ， 并对尾巷进行 道进组施工 ， ， 永久 封闭。增加风量磺施不起作用， 是由于在巷 斯巷 ， 并对顶、 底板巷联络川进行封闭和充填。 对顶 ２ 问题 的提 出 取得显著效果， 抽出的瓦斯浓 鹤矿集团公司开采的主采煤层，均属于高瓦 道断面一定的条件下 ， 在增风的同时， 风流将采空 板排瓦斯巷抽放后 ， ５ 抽 ． ／ 。 ５ ｍｉ 斯易 自 燃厚煤层 ， 煤层厚度一般在 ６ ５ － ｍ之问。 － ｄ 采 区积存的瓦斯携带 出 ， 来 造成了回风流 中瓦斯不 度最大时达到 ４ ％， 出的纯瓦斯量为 ６ ｍ３ ｎ 工作面回风流的瓦斯浓度稳定在 用放顶煤果煤法的工作面越来越多，集团公司现 但不降而略有增加 的 现象。由于开采的煤层不但 经过半月的抽放 ， 而且极易自然发火。 增风措施和尾巷 Ｑ ９ ４ 保证了工作面正常生产。 ３ ％， 有 ４ 个采煤工作面， ＿ ４ 其中有 ２ 个采煤工作面采 瓦斯含量大 ， ８ 然发 利用移动抽放泵对顶板排瓦斯巷进行抽放 ， 用放顶煤采煤方法， 采煤工作 面的 ６ ． 占 ３ ％。由于 排瓦斯措施 ，都存在不利于防止采空区内自 ６ 于顶板排 开采的煤层为高瓦斯煤层 ， 采煤方法又是放顶煤 ， 火的问题 ，这两种方法 已不适用于该面的瓦斯治 能使顶板排瓦斯巷内形成负压区，又由 侧 ～ ｍ上方， 符合 所 以， 在开采过程 中， 瓦斯涌出量大 ， 特别是在放 理。经研究决定 ， 掘送双顶板巷排放瓦斯 ， 解决该 瓦斯巷布置在工作面上隅角 内 ５８ 煤时 ， 瓦斯涌出量更大， 非常容易造成工作面上隅 面瓦斯超限问题 。 双顶板巷布置： 平面平行内错 回 采空区内瓦斯流动规律（ 如图 ２ ， ）所以极易抽 出采 角和回风流 中瓦斯超限。 风道 ５ １ｍ． ～ ５ 沿煤层顶板布置一条顶板巷 ， 在煤层 空 区 内高浓 度瓦斯 。 ３因地制宜， 综合治理瓦斯 中上部布置另一条顶板巷（ 如图 １ ， ）顶板巷与总回 经过多年的实践 ，我们在高瓦斯易 自 燃厚煤 风巷联通。 双顶板巷形成系统后 ， 配给风量 ５ ０ ３ ０ ｍ／ 层放顶煤工作面瓦斯治理上摸索出一些办法。如： ｍ ｎ排出瓦斯 １ｍ３ ｎ 此时， ｉ， ４ ／ 。 ｍｉ 工作面回风量减少 预抽煤层瓦斯 、 尾巷排瓦斯、 顶板巷排放瓦斯 、 调 到 ４ ０ ３ ｉ， 回 ０ ｍ／ ｎ但 风流中瓦斯浓度降到了 Ｏ ％～ ｍ ｌ ５ 整系统增风排瓦斯、 顶板巷封闭抽放瓦斯 、 高位钻 ｎ ％， ７ 上隅角瓦斯降到了 ０ ％， ． 工作面后部 ． －８ ６ － ％， ０ 孔抽放瓦斯、抽放采空区瓦斯等等。在这些方法 溜子架子空的瓦斯浓度也降到了 １ ％以下， 收到了 中， 治理瓦斯效果最好 的， 应该是预抽煤层 瓦斯 。 非常显著的效果。 比如我公司南 山矿北五区七层六分段 ，采前共预 抽了３ ， 年 分别在四 条巷道向该区施工抽放钻孔 Ｊ 图 ２ 顸栖 巷布置及 瓦斯流动 示 意图 ９ 个， ５ 共抽放瓦斯 ２ １ ６ 万立方米。 开采时工作面绝 ３ 顶板巷高位钻孔边采边抽 ３ 对瓦斯涌出量仅为 １ ５ ／ ｎ 配风量比其上段没 ． ｍ３ 。 ３ ｍｉ 兴煤公司二水平二石 门后组 ２ 层三区 放 ２ 有进行抽放的七层五分段减少了近 ９ ０ ／ ｎ 该 ０ｍ３ 。 ｍｉ 工作面 ，采 区走 向长 １０ ９ ｍ，倾斜 １０ ２ ｍ，煤层厚 区如不进行抽放 ， 按瓦斯资料分析 ， 需配风 １０ － ３％ ６ 本区地质构造较复杂， ｍ。 煤层为向斜构造 。 沿向 １ ０ ｍ／ ｎ ６０ ３ ，经 ３ ｍｉ 年抽放瓦斯后 ，仅配风 ５ ０ ３ ０ ｍ／ 斜轴布置中间溜子道，在左右块的上部边界掘送 ｍｉ ｎ就彻底解决了瓦斯超限问题。 底板回风巷， 形成左右两个对拉工作面。本煤层掘 以Ｔ４－ 我们治理瓦斯的几种做法 ，共同探 ｔｔ Ｉ 进期间瓦斯涌出量较大 ， 二台局扇向一个掘进工 讨。 作面供风，其 回风流瓦斯浓度仍为 Ｏ ％加－ 工 ５ ７ ％， ３ 双顶板巷排放瓦斯。 ． １ 南山矿西二区八下层 图 １双顶 板 巷布置 示意 图 作面末端风量达 １ ０ ／ ｎ ４ ｍ３ ，绝对瓦斯涌出量为 ｍｉ 四段综放工作面 ，采 区走 向长 ８ ０ ０ｍ，工作面长 ３ ２顶板巷抽放瓦斯 ０ ８ ｉ。预测采煤工作面绝对瓦斯 涌出量为 ．ｍ ｎ ９ １２ 工作面为仰斜开采 ， ３ｍ， 煤层平均厚度 １ｍ， ５ 日 益新公司中部区 １ 号层右三段 放工作面 ， １ｍ３ ｉ。 ８ ２ ／ ｎ为了防止工作面上隅角和回风流瓦斯超 ｍ 产煤量 ３ ０ ｔ ０ ０。该面开采初期配风量 ８０ ｌ ０ｍ￣ 采 区走向长 １０ 倾斜长 ７ ｍ， ０～Ｏ０ ９ ｍ， ０ 煤厚 １ ｍ， ２ 煤层赋 限， 在左右块都掘送顶板 回风巷。同时 ， 开采前在 ｍｉ， ｎ 回风流中瓦斯浓度在 Ｏ ％～２ 放煤时最高 存 比 ． １ ％， ８ 较稳定 ， 顷 ２ ￣地质构造比较复杂， 煤层ｆ 角 ０。 断 溜子道向左右块施工 了 １５个预抽煤层瓦斯钻 ０ 达到 １ ％，工作面后部溜子在架子空中瓦斯浓度 层多 ， ． ５ 掘进时实见落差 １ ｍ以上断层二处。掘进 孑 ， ２ Ｌ用移动泵进行了预抽瓦斯 。开采初期 ， 该区配 在 １ ２ ％～ ％之间 ，上隅角瓦斯浓度在 Ｏ ％～％之 期间最大绝对瓦斯涌出量为 ２ ５ ／ ｎ该面开采 风增到 ８ ８ ／ ｎ左块工作面上隅角瓦斯正常时 ． ３ ８ ． ｍ３ ， ５ ｍｉ ０ｍ３ ， ｍｉ 间。根据这种情况 ， 对上隅角采取了在新鲜风流中 初 期绝对 瓦斯 涌 出量 ｌ． ｇ ｉ。 日计划产 量 【 ８ 放煤时， ３ ／ ｎ １ｍ ｍ ｌ ％， ８ 最大达到 ４ －％。 ％－ 顶板巷回风��

瓦斯 含量极 难抽 放的特 点 。结合 以前 回采 工作 面
上 隅 角 瓦斯浓 度 频 繁超 限及 ２ ０ ０ ３年 以来建 立 井 下 移 动 瓦 斯 抽 放 系统 的 成功 实 践 ，确 定 （ — ） ２ ３ １ １ ０综放 面 的瓦斯 抽放 方 案为 ：回采 工作 面 回 ２９
风 巷高位 钻孔抽 放 、上 隅角 浅孔抽 放 与采空 区插 埋 管抽放联 合使 用 ， 作面上 巷铺 两趟 管路 ， 工 一趟
１ 工 作 面概 况
（— ） ２ ９ ２ ３ １ １０综 放工 作 面位 于耿 村煤 矿西 采 区 （ — ） 道 下 山 东侧 ， 侧 和 南侧 均 为 ２ ３煤 ２３轨 北 —
实体 ， 工作 面走 向长 １０ ０ｍ， 斜 长 １ ０ｍ， 层 ６ 倾 ７ 煤 厚 １ ～ ５ｍ， １ １ 平均厚 １ 倾 角 ９ ３ 。该面 瓦斯 ２ｍ． ０１。 涌出量大 ， 绝对 涌出量在 ２ Ｔ ｉ 右 。为解 决 ０ｍ ｍ ｎ左 制 约生产 的瓦斯 问题 ， （ — ）２ ９ 在 ２ ３ １ １０综放 工作 面 采 用 了多种方法 联合抽 放瓦斯 ．取得 了 良好 的效
边 界在裂带 内明显 存在 着一 个相互 连通 的裂 隙发 育区， 而采 空 区中部采 动裂 隙基本被 压实 ， 这个 采 动裂 隙发 育 区称为 采动 裂 隙“ ” 圈 ．０” 圈 内 ０型 “ 型 集 聚了采 空 区内的大部 分瓦 斯 ， 的存在 ． 它 为采 空 区 瓦斯 流动 和贮存 提供 了通 道和空 间 。抽放卸 压
对 钻孔抽 放 ， 趟对 浅孔和采 空 区插埋 管抽放 ， 一 重 点仍 以排 除采 空 区内卸压 瓦斯为 主 。
表 １ 西 区 ２ ３煤 层 瓦斯 参 数 —
３ 瓦 斯抽 放 方 法

国内外学者对于区段煤柱进行过大量研究，归 结起来主要有如下几种方法：现场实测及统计推理; 利用矿压规律归纳总结经验公式；对煤柱支承压力 分布的理论分析;通过数值模拟寻求煤柱合理尺寸。 国外的研究情况为：Gaddy等人提出了 HollandGaddy煤柱强度公式;Poulsen提出煤柱经验公式, 证实煤柱强度与其宽度和高度的比值相关；Hsiung 通过有限元法分析出煤柱与顶板的关系；科诺年科 和阿尔拉麦夫提出了极限平衡理论。国内研究情况
收稿日期:2021-04-17 作者简介：冯凡丁（1999 —）,男，山西运城人，在读本科，研究方向为矿山压力及其岩层控制,E-mail;2672649405@qq. com
第2 期
冯凡丁：厚煤层工作面区段煤柱留设尺寸的合理确定
71
为：谢和平等人通过理论试验分析，提出煤柱的破坏 过程是非线性的；余忠林等人分析出了大采高工作 面窄煤柱沿空掘巷条件下的煤柱分布规律；柏建彪 等人通过FLA&d数值模拟分析出了沿空掘巷后巷 道围岩的变形破坏规律及合理尺寸等弘5〕。
同理可得：
_ B ]「2C° +BkYHtan°0] 狓0 2tan°ln[2BC0 + 2狆狓tan輕]' 7
2.3区段煤柱尺寸的确定
雄山煤矿15号煤物理力学参数如表1所示。
结合式（1）、式（6）、式（7）可得煤柱最小的宽度b =
$4・ 4. $ x°+l + 狓1 37 + 2X3 87 + 68 16・ 79 m。
（太原理工大学矿业工程学院，太原030024）
摘 要：根据雄山煤矿15303工作面煤层的埋藏特征、煤体强度等工程地质条件，运用极限平
衡理论得出巷道一侧煤柱塑性区的宽度为4. 37 m,采空区一侧煤柱塑性区宽度为4. 68 m,弹性核

质 条件 矿井 提供设 计 参考 。
２ ． １ 工作 面巷 道 间距的 确定
１ 矿 井 概 况
酸刺沟矿井为低瓦斯矿井 ， 煤层赋存条件简单 。
实验 结果 表 明 ， 当岩 柱 的宽 高 比 Ｂ ／ ｈ大 于 ５时 ， 岩柱 强度 将 随 Ｂ ／ ｈ的增加 而 显 著增 大 ， 当 大 于
即大巷兼 作盘 区巷 道 ， 利 用各 煤组 率 和材 料 消耗量 低 ， 可减 少 综 采 设 备 的 搬 家 次 数 与 大巷 式布 置方 式 ， 费用 ， 对煤 厚变化 大 、 构造 比较 复杂 的地 质 条件 有较 三条 大巷 直接布 置 回采 工作面 。 好 的适 应性 ； 我 公 司设 计 的酸 刺 沟 煤 矿 综采 放 顶煤
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ ｐ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｃ ｅ ，ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ａ ｃ — ｔ ｉ ｃ ｅ ，ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｓ ，ｔ ｒ ｏ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ａ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｓ ｉ ｍｉ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ｌ ａ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｎ ｅ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｃ ａ ｖ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ； ｒ ｏ ａ ｄ ｗａ ｙ ｓ ｐ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ； ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｅ ｐ

低 矿井 瓦斯涌 出量 、 止 瓦斯 爆 炸 和 煤 与 瓦斯 突 出 防
灾 害 的重要 措施 ， 且可 以变 害为 利 ， 为煤 炭 的 伴 而 作
生 资源加 以 开发 利用 。
目前 ， 在采 区设 计 中 ， 确定 工 作面合 理 尺寸 主要 考 虑通风 能力 ， 没有 考 虑 到瓦 斯 抽 放 布 置对 工 作 面 宽 度的要求 。而事实 上 ， 于高 瓦斯 矿井 ， 作 面宽 对 工 度 与瓦斯 抽放方 式有 着密切 的关 系。工 作 面宽 度越 长， 越要求 瓦斯 抽放 方式 和抽放 系统设 计更加 合理 。
２ 工作面 中部 允许空 白带最 大宽 度的确定
要 使工 作 面通风 满 足稀释 瓦斯 以达 到工 作面 的 瓦斯不 超过 《 煤矿 安全规 程》 允许 的最 高瓦 斯浓度 的
要 求 ， 满足 以下条 件 ： 通风 方 法可 以解 决 的瓦 斯 需 用
很 高 。由于综放 工作 面一次 采全 高 ， 量 大 ， 产 瓦斯 的 绝对 涌 出量 成倍增 加 ， 在高 瓦斯 矿井 ， 至在 某些 低 甚 瓦斯 矿井 ， 在着 瓦斯 超限 以及潜 在 的 瓦斯灾 害 ， 存 瓦 斯 问题成 为制约综 采放 顶煤 技术 在我 国推广 应用 的
“ 瓶颈 ” 因此 ， 对 综 采 放 顶煤 采 煤 工 艺 的特 点 ， ； 针 结
收 稿 日期 ．０７ ６ １２０ ０ ０ ２０ —０ —０ ：０７— ９— ６修 回 ，
含 量大 于等 于预抽 后工 作面煤 层 的瓦斯含 量 。
２ １ 工作面风 量 ． Ｑ ＝６ ｌ ０ （） ２
合煤层 具体 的 地质 和开 采 条 件 ， 立 有 效 的 瓦斯 抽 建 放系统 ， 是综 放 工 作 面生 产 顺 利 进 行 的 必要 条 件 。 目前许 多矿 区 的综 放 面都 采 取 了顺 层 钻 孔 、 层 钻 穿 孔 预抽 工作 面煤 层 瓦斯 、 顶板 走 向长 钻孔 抽 放 瓦 斯 和采空 区埋 管 抽 放 瓦斯 等 措 施 。其 中 ， 层 钻 孔 预 顺 抽瓦斯 技术 对 工作 面宽 度 有 较 大 的要 求 ， 同时 也 是 影响 高瓦斯 矿 井综 放 工 作 面 宽 度 的一 个 重 要 因 素 。 在 顺层 钻孔 预 抽工 作 面 瓦 斯 时 ， 由于 钻 孔深 度 及 地 质 条 件的 限制 ， 作 面宽度不 宜过大 ， ： 工 即

的间隔距离称为放煤步距。放煤步距的大小将影响到放顶
煤中煤炭的损失率及混矸率。放煤步距的选取，一定程度
上也要依托现有生产设备，根据设备和地质情况确定合适
放煤步距；合理放煤步距确定，能够极大限度地提高放顶
煤工作面顶煤回收率，可以带来极大经济效益。
2.3.1 顶煤冒落步距分析法
放煤步距与顶煤冒落步距的关系对顶煤采出率影响较
工 作 面 最 大 控 顶 距 Lmax=L1+L2+S； 最 小 控 顶 距 Lmin=L1+L2；中间控顶距 L 中 =（Lmax+Lmin）/2。L1 为顶梁长度， 5539mm；L2 为端面距，717mm；S 为采煤机截深，700mm。 可得 Lmax=6596mm，Lmin=6256mm，L 中 =6606mm。取中间控 顶距为计算标准，因此，Lm=7.475-6.606=0.869m，所以合理 的放煤步距 Lf=0.869m。 2.3.2 放煤椭球体理论分析法
大，假设放煤步距为 Lf，顶煤冒落步距为 Lm。当 Lf=Lm 时， 最有利于提高顶煤回收率；当 Lf ＜ Lm 或 Lf ＞ Lm 时，都不 利于提高顶煤的回收率。
按照简支梁公式计算顶煤初次断裂步距 LOZ，如式（5） 所示。
LOZ =
2mσ γ
（5）
工艺与装备
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式中，LOZ 为顶煤初次断裂步距，m；m 为顶煤厚度， 5.96m；为顶煤抗拉强度，1.1MPa（工作面实测值）；γ 为 顶煤容重，14.7kN·m-3。代入计算得到 LOZ=29.9m。
采高度略大于合理开采高度，设计采高既满足了放顶煤充
分垮落要求，同时也达到了提高回收率的要求。
2.2 合理放煤口间距的确定
综放工作面每次放煤两相邻放煤口之间的距离称为放