雙采動(dòng)影響下高抽巷支護(hù)技術(shù)研究

梁建輝，劉愛卿

(1.西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022;2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

對(duì)于高瓦斯礦井而言，瓦斯含量的高低直接影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，在瓦斯含量高的煤層，需要對(duì)回采工作面的瓦斯進(jìn)行抽放，減少瓦斯超限［1］. 目前，瓦斯抽放采用較為普遍的是高抽巷和低抽巷，高抽巷一般是指位于開采煤層頂部處于采動(dòng)裂隙帶內(nèi)的專用抽放巷道，高抽巷往往要經(jīng)歷一次甚至兩次動(dòng)壓的影響，處于采動(dòng)裂隙帶內(nèi)的高抽巷在強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷穩(wěn)定性差。

目前，關(guān)于高抽巷的研究多是集中在高抽巷的抽放效果［2－4］，而針對(duì)高抽巷支護(hù)技術(shù)的研究較少，婁金福曾對(duì)頂板瓦斯高抽巷采動(dòng)變形機(jī)理及優(yōu)化布置進(jìn)行了研究，認(rèn)為底鼓是頂板瓦斯高抽巷典型的破壞特征［5］.然而針對(duì)采動(dòng)影響下高抽巷的支護(hù)技術(shù)缺乏研究，特別是高抽巷要經(jīng)歷兩次動(dòng)壓影響時(shí)，支護(hù)難度更大。

1 高抽巷層位布置及地質(zhì)力學(xué)分析

1.1 高抽巷層位布置

西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦北三盤區(qū)8#煤層瓦斯含量高，為了解決回采過程工作面高瓦斯涌出問題，在其上部6#煤層中布置了瓦斯抽采巷道，稱作68308 高抽巷。68308 高抽巷主要用于抽放北三盤區(qū)68308 和68309 兩工作面瓦斯(巷道布置圖見圖1)，6#與8#煤層間距40 m，68308 與68309 工作面間煤柱寬度30 m.

圖1 高抽巷與8#煤工作面位置關(guān)系圖

高抽巷在服務(wù)期間內(nèi)要受到兩次采動(dòng)的影響，而且服務(wù)年限至少5 年，支護(hù)難度增加。

1.2 高抽巷地質(zhì)力學(xué)分析

在高抽巷中進(jìn)行了1 個(gè)點(diǎn)的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試工作，包括3 個(gè)方面的內(nèi)容:圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力，為巷道支護(hù)參數(shù)選取提供基礎(chǔ)參數(shù)［6］.

巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視表明:在巷道頂板0 ～8.9 m為砂質(zhì)頁巖，呈灰黑色，局部有少量環(huán)向裂隙;頂板8.9 ～10.2 m 為石灰?guī)r，呈深灰色，致密堅(jiān)硬，無裂紋。可見，直接頂厚度大，穩(wěn)定性好，影響圍巖穩(wěn)定性的弱面分布很少，有利于頂板的穩(wěn)定。

圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖2. 砂質(zhì)頁巖的強(qiáng)度為40 ～60 MPa，平均為51.72 MPa，而灰?guī)r的平均強(qiáng)度達(dá)到90 MPa，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。

圖2 頂板圍巖強(qiáng)度測(cè)試圖

圖3 煤體強(qiáng)度測(cè)試圖

地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，北三盤區(qū)6#煤的最大水平應(yīng)力為32.81 MPa，最小水平主應(yīng)力為16.54 MPa，垂直主應(yīng)力為12.10 MPa.最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)镹41°E(見圖4)，根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，地應(yīng)力在量值上屬于高等地應(yīng)力區(qū)。

圖4 高抽巷軸向與最大水平主應(yīng)力方向關(guān)系圖

68308 工作面高抽巷沿北偏西25°方位布置，地應(yīng)力對(duì)巷道支護(hù)的影響主要體現(xiàn)在其量值和方向上，高抽巷不僅地應(yīng)力高，而且巷道布置也非最佳方向，因此，地應(yīng)力對(duì)其影響非常大，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。

2 工作面采動(dòng)對(duì)高抽巷穩(wěn)定性影響分析

8#煤層開采引起的上覆巖層活動(dòng)對(duì)高抽巷的穩(wěn)定性影響最大，這也是造成巷道圍巖強(qiáng)烈變形的最大影響因素。基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)值計(jì)算的方法，分析8#煤層開采過程中高抽巷圍巖變形和破壞特征，為確定比較合理的巷道支護(hù)形式與參數(shù)提供理論依據(jù)。

2.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)工作面實(shí)際條件建立的數(shù)值模型見圖5. 高抽巷開挖后采用現(xiàn)有支護(hù)形式與參數(shù)，模擬8#煤層開采過程中巷道圍巖的變形與破壞特征。

圖5 數(shù)值模型圖

2.2 高抽巷變形與破壞特征分析

根據(jù)杜兒坪礦采掘部署，數(shù)值模擬按照生產(chǎn)實(shí)際計(jì)算分析，先模擬68308 工作面回采過程高抽巷圍巖的變形與破壞特征，再分析68309 工作面回采過程。

2.2.1 68308 工作面回采分析

北三68308 工作面回采后，高抽巷處于采空區(qū)正上方，由于采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)，引起了高抽巷的強(qiáng)烈變形，見圖6. 高抽巷右?guī)鸵七M(jìn)量達(dá)605 mm，左幫移進(jìn)量達(dá)163 mm，頂?shù)装逡平窟_(dá)400 mm，高抽巷表面位移發(fā)生急劇增加，表明68308 工作面回采引起的上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性有顯著的影響。

2.2.2 68309 工作面回采分析

高抽巷距68309 工作面的距離較遠(yuǎn)，水平距離65 m，因而受到上覆巖層活動(dòng)造成的影響很小，巷道的變形狀況見圖7. 巷道的右?guī)鸵七M(jìn)量增加55 ～660 mm，左幫移進(jìn)量增加91 ～254 mm，頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量增加100 ～500 mm. 表明68039 工作面回采對(duì)高抽巷的影響較小，巷道表面位移增加幅度小，巷道可控性大。

圖6 68308 工作面回采后高抽巷變形狀況圖

圖7 68309 工作面回采后高抽巷變形狀況圖

由數(shù)值模擬可以看出，高抽巷正下方工作面回采引起的上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)其變形影響很大，再強(qiáng)的支護(hù)也無法抵御采礦引起的圍巖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，不應(yīng)該僅加強(qiáng)支護(hù)材料的強(qiáng)度，而應(yīng)對(duì)材料的協(xié)調(diào)性進(jìn)行優(yōu)化，減小高抽巷受到下覆巖層運(yùn)動(dòng)造成的強(qiáng)烈變形。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

高抽巷斷面寬度4.2 m，高度3.3 m，采用樹脂全長高預(yù)應(yīng)力錨固錨桿錨索組合支護(hù)［7］，見圖8. 錨桿采用d20－M22－2000 的400#左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板間排距900 mm × 1 000 mm，兩幫間排距1 100 mm×1 000 mm;樹脂全長錨固，采用2 支錨固劑，1 支規(guī)格為MSCK2360，1 支規(guī)格為MSM2380;采用W 鋼帶配鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，鋼帶厚度3 mm，寬280 mm，長度3 800 mm.錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m;錨索采用d21.6－1 ×7－5 300 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1 800 mm × 2 000 mm;錨索預(yù)緊力200 kN. 采用W 鋼護(hù)板配金屬網(wǎng)護(hù)幫，厚度4 mm，寬280 mm，長度400 mm.

4 井下試驗(yàn)

圖8 高抽巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖

目前，68308 高抽巷受68308 工作面回采的影響，在巷道的掘進(jìn)和回采期間均進(jìn)行了巷道礦壓監(jiān)測(cè)，巷道礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9，10.

圖9 高抽巷掘進(jìn)期間巷道的變形狀況圖

圖10 68308 工作面回采期間巷道的變形狀況圖

由圖9，10 可知:

1)掘進(jìn)期間巷道的變形量很小，巷道頂?shù)装逦灰屏繛?0 mm，巷道的設(shè)計(jì)高度為3.3 m，占設(shè)計(jì)高度的0.60%;巷道兩幫最大移近量為15 mm，巷道兩幫移近量占實(shí)際掘進(jìn)巷道寬度的0.35%.

2)下部68308 工作面回采期間，工作面滯后測(cè)站距離越遠(yuǎn)，巷道受到的影響越小，而當(dāng)巷道位于采空區(qū)上方后，采空區(qū)圍巖的垮落導(dǎo)致高抽巷變形量激增，在超前50 m 后，巷道兩幫移近量達(dá)210 mm，頂?shù)装逡平窟_(dá)160 mm，而且主要是底鼓，巷道頂板則保持了良好的穩(wěn)定性。

礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道的變形量主要發(fā)生在工作面采空區(qū)的上方，且變形是一個(gè)長期的過程。通過樹脂全長高預(yù)應(yīng)力錨固錨桿錨索組合支護(hù)有效地控制了巷道的變形，預(yù)計(jì)68309 回采時(shí)巷道變形量不會(huì)增加過多。

5 小 結(jié)

1)高抽巷的穩(wěn)定性主要受工作面采動(dòng)影響，特別是采空區(qū)圍巖的移動(dòng)。

2)高抽巷所在區(qū)域最大水平應(yīng)力為32.81 MPa，屬于高等地應(yīng)力區(qū)，且巷道布置軸向也非最佳方向，不利于巷道穩(wěn)定。

3)高抽巷的變形主要發(fā)生在工作面采后階段，且變形是一個(gè)長期持續(xù)的過程，采用樹脂全長高預(yù)應(yīng)力錨固錨桿錨索組合支護(hù)能夠有效抵抗動(dòng)壓影響。

［1］ 趙云虎.煤層群鄰近層瓦斯抽采走向高抽巷布置研究［J］.能源技術(shù)與管理，2013，38(4):32－40.

［2］ 李青柏，李文洲.高抽巷布置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析［J］.煤礦開采，2010，15(5):28－29.

［3］ 丁厚成，馬 超.走向高抽巷抽放采空區(qū)瓦斯數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8(5):5－10.

［4］ 劉如鐵，張繼高.走向高抽巷抽放瓦斯技術(shù)研究［J］.中國礦業(yè)，2012，21(1):122－124.

［5］ 婁金福.頂板瓦斯高抽巷采動(dòng)變形機(jī)理及優(yōu)化布置研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

［6］ 康紅普，林 健.我國圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試技術(shù)新進(jìn)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(7):27－30.

［7］ 劉愛卿.高預(yù)緊力全長錨固錨桿工況研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2012.