高瓦斯礦頂板高抽巷優(yōu)化布置與支護(hù)技術(shù)研究

張 瑞，趙海衛(wèi)

(山西煤炭運銷集團(tuán) 壽陽亨元煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400)

高瓦斯礦井的煤炭產(chǎn)量與瓦斯產(chǎn)量呈正比關(guān)系，由于瓦斯量增加而引發(fā)的煤礦安全生產(chǎn)問題日益增多，成為影響高瓦斯礦井高產(chǎn)高效的一個瓶頸。面對該問題，通過在頂板布置高抽巷能夠?qū)ぷ髅嫱咚惯M(jìn)行采前預(yù)抽以及采后抽放采空區(qū)瓦斯。為了取得良好的瓦斯抽放效果，必須確保高抽巷圍巖穩(wěn)定，即必須選擇合理的巷道布置與支護(hù)方式。

某礦是設(shè)計生產(chǎn)能力為800 萬t/年的現(xiàn)代化特大型礦井，回采3#煤層，屬于高瓦斯突出礦井，為確保安全高效開采，必須采取一系列措施治理瓦斯。目前，采用頂板高抽巷對高瓦斯厚煤層礦井瓦斯進(jìn)行抽采治理的情況較少，對于頂板高抽巷的科學(xué)布置與支護(hù)方式研究不多。本文以該礦N1202綜放工作面地質(zhì)與生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析高抽巷處于不同頂板層位時的圍巖控制效果，確定出合理的高抽巷布置位置，并提出相應(yīng)頂板高抽巷的合理支護(hù)技術(shù)。

1 煤層瓦斯運移規(guī)律及高抽巷布置原則

頂板高抽巷需滿足多項功能需求，先要將回風(fēng)順槽及工作面未開采前的瓦斯作預(yù)抽處理，還要將聚集于采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行全部抽取。該巷道圍巖除了受自身掘進(jìn)影響外，還受到鄰近回風(fēng)順槽掘進(jìn)及本工作面回采超前支承壓力的影響，且巷道的服務(wù)時間長，因此加大了巷道維護(hù)難度[1].若高抽巷位置選擇合理，則能取得較好的瓦斯抽采效果；反之，若高抽巷位置選擇不合理，將影響瓦斯抽采效果。煤層中解析瓦斯的運移規(guī)律主要受以下3方面作用的影響：

1) 在采動影響作用下，煤體中瓦斯的原始狀態(tài)發(fā)生很大變化，由初始吸附狀態(tài)演變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，并傳播至煤體裂縫中。工作面回采之后，因采空區(qū)位于應(yīng)力釋放區(qū)，卸壓難度系數(shù)提高，瓦斯向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。2) 因進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)壓明顯高于回風(fēng)巷風(fēng)壓，聚集在采空區(qū)域的瓦斯就會隨風(fēng)漂流到回風(fēng)巷側(cè)。3) 因瓦斯密度明顯低于空氣密度，瓦斯保持向上的狀態(tài)運動，距離回風(fēng)側(cè)越近其上空的瓦斯?jié)舛仍酱?。因此，煤層傾向區(qū)域瓦斯?jié)舛葧粩嘣龈撸罱K通過工作面上隅角的頂板裂縫擴(kuò)散至O型圈中。對高瓦斯礦井來說，瓦斯聚集量最高的區(qū)域則是工作面上隅角[2].

參考采場覆巖裂縫O型圈運行原理，頂板裂隙帶內(nèi)O型圈可將煤體與采空區(qū)析出的瓦斯存儲。因此，選擇在裂隙帶O形圈附近布置高抽巷，能夠取得較好的抽采效果。由于回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛雀哂谶M(jìn)風(fēng)順槽，選擇高抽巷偏向回風(fēng)順槽裂縫帶O型圈周圍(未壓實區(qū)域A頂部)，不僅能夠抽采高濃度瓦斯，而且能夠更好地解決上隅角瓦斯超限問題[3].采場O型圈位置示意圖見圖1，采場上覆巖層三帶分布示意圖見圖2.

圖1 采場O型圈位置示意圖

圖2 采場上覆巖層三帶分布示意圖

高抽巷布置位置由與煤層垂距H及距回風(fēng)順槽的水平距離S兩個參數(shù)決定[4]. 由分析可知，高抽巷應(yīng)布置于裂隙帶內(nèi)，即H取值30～50 m；水平距離S需確保高抽巷位于未壓實區(qū)，最遠(yuǎn)間距不能大于工作面傾向長度的1/3.

因此，頂板高抽巷布置時應(yīng)遵循的基本原則為：1) 最好選擇在卸壓瓦斯大量聚集地—回風(fēng)順槽側(cè)O型圈內(nèi)。2) 高抽巷應(yīng)布置在采動裂隙帶最大發(fā)育高度內(nèi)。3) 選擇合理的支護(hù)技術(shù)確保高抽巷圍巖的穩(wěn)定性，使高抽巷不隨著工作面回采而廢棄。

2 高抽巷合理位置確定

布置高抽巷的目的是抽采瓦斯，而頂板裂隙帶O形圈附近存有大量瓦斯，所以需將高抽巷布置在頂板裂縫帶O型圈內(nèi)；考慮工作面采動對高抽巷的影響，且其服務(wù)時間較長，因此布置高抽巷時應(yīng)選擇有利于巷道整體穩(wěn)定的應(yīng)力減弱區(qū)。所以在選擇高抽巷布置具體方位時需同時滿足在頂板裂縫帶O型圈周圍與應(yīng)力減弱區(qū)兩個條件。

通過多個數(shù)值模擬方案對高抽巷不同位置穩(wěn)定性進(jìn)行模擬研究與分析，最終根據(jù)巷道圍巖的變形破壞及應(yīng)力環(huán)境選出最優(yōu)的高抽巷布置位置。

基于該礦N1202綜放工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析。對參數(shù)H選擇30 m、40 m兩種情況，對S選擇10 m、30 m、50 m三種情況，兩類參數(shù)正交后得出的高抽巷布置方案見表1.

表1 高抽巷布置位置方案表

通過數(shù)值分析得出，處于不同位置的高抽巷在自身掘進(jìn)階段，其圍巖變形情況相差不大。因此，本文重點探究回采階段高抽巷圍巖所呈現(xiàn)的變形特征及應(yīng)力分布情況，確定高抽巷的合理布置位置。

圖3 不同布置位置高抽巷圍巖垂直應(yīng)力分布模擬結(jié)果圖

高抽巷在頂板的布置位置不同時，各個方案的應(yīng)力峰值分別為34 MPa(H=30，S=10)、20 MPa(H=30，S=30)、21 MPa(H=30，S=50)、28 MPa(H=40，S=10)、18 MPa(H=40，S=30)、20 MPa(H=40，S=50). 對于方案一和方案四，高抽巷布置位置距回風(fēng)順槽水平距離10 m，垂直應(yīng)力集中程度明顯，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.2與1.17，其原因是巷道布置地點與煤柱相距較近，巷道圍巖位于側(cè)向支承壓力快速增加區(qū)；當(dāng)水平距離為30 m、50 m時，高抽巷位于采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)，巷道圍巖應(yīng)力水平低，其峰值甚至比掘進(jìn)時期的應(yīng)力峰值低。高抽巷兩幫的圍巖應(yīng)力分布與巷道中軸線不對稱，呈“一高一低”分布形態(tài)，應(yīng)力峰值大小也不同，峰值位置距巷道表面4～8 m. 隨著遠(yuǎn)離巷道表面，應(yīng)力等值線分布由稠密到稀疏，表明應(yīng)力變化幅度劇烈。高抽巷頂?shù)装遄冃瘟考罢w平均下沉量見表2.

表2 高抽巷頂?shù)装遄冃瘟考罢w平均下沉量表

分析表2高抽巷下沉量可知，與回風(fēng)順槽之間的距離越大，即距采空區(qū)中部越近，高抽巷總體下沉量就越大。當(dāng)與回風(fēng)順槽距離50 m時，巷道的總體下沉量最高值在825～1 050 mm. 若高抽巷布置位置不合理，當(dāng)工作面采動一段時間后高抽巷將會呈整體臺階狀下沉，甚至導(dǎo)致高抽巷崩塌。

高抽巷的整體下沉量與頂?shù)装遄冃瘟侩S著與回風(fēng)順槽距離S的增大而增加，且增加幅度明顯。方案 3(H=30 m，S=50 m)與方案6(H=40 m，S=50 m)高抽巷的整體沉降量在各自方案的分類中均為最大值，分別為 930 mm 與 750 mm，約占巷道高度的31%和25%，基于此情況下，巷道會出現(xiàn)臺階狀波動。

受采掘工作影響，巖層的變形與沉降幅度決定了高抽巷的整體下沉量，若受采動影響巖層的下沉量大，則在其中布置的高抽巷整體下沉量也增大；高抽巷所處圍巖的應(yīng)力環(huán)境是影響其自身圍巖移近量的重要因素。

從高抽巷自身所處應(yīng)力環(huán)境考慮，為確保其在回采期間圍巖穩(wěn)定以滿足對瓦斯抽放的要求，巷道的合理布置位置應(yīng)處于采空區(qū)覆巖的應(yīng)力卸壓空間區(qū)域，由此可以判定方案1和方案4都不符合要求；基于高抽巷下沉量這一參數(shù)指標(biāo)分析，為防止高抽巷因工作面采動前與采動后形狀發(fā)生變化造成頂?shù)装宄逝_階狀下沉，斷定方案3和方案6也不符合要求。因此，根據(jù)上述數(shù)值模擬分析得出，高抽巷較為合理的布置位置應(yīng)為方案 2 或方案 5.

從巷道應(yīng)力情況與圍巖變形量考慮，雖然方案2與方案 5都能滿足生產(chǎn)要求，但對比方案5和方案2進(jìn)一步得出，方案5將巷道布置在較高層位，從高抽巷向下方工作面煤體或采空區(qū)打設(shè)的抽放鉆孔長度增加，使得鉆孔成本及工作量顯著增加。因此，在圍巖變形大致相同的情況下，為減少巷道維護(hù)與鉆孔施工成本，最終選擇方案2(H=30 m，S=30 m)作為高抽巷的合理布置方案。

3 高抽巷支護(hù)方式及圍巖控制效果分析

3.1 高抽巷支護(hù)參數(shù)確定

巷道圍巖穩(wěn)定不僅取決于圍巖本身結(jié)構(gòu)的完整性，很大程度上也受其所處應(yīng)力環(huán)境影響。為確保巷道圍巖穩(wěn)定以滿足礦井正常生產(chǎn)要求，應(yīng)將巷道布置在應(yīng)力降低的環(huán)境中，并對巷道圍巖施加合理的支護(hù)形式[5].

通過上述數(shù)值模擬分析，確定了頂板高抽巷的最優(yōu)布置位置，明確了高抽巷圍巖的應(yīng)力環(huán)境及其變形情況。由于高抽巷布置在頂板巖層的裂隙帶內(nèi)，巷道圍巖中存在多種易滑動、易斷裂的不連續(xù)弱面，這必然會造成圍巖整體強(qiáng)度降低，采動作用產(chǎn)生的動壓影響會對不實結(jié)構(gòu)面造成很大破損，成為巷道圍巖受損的核心方位。因此，為從根本上保證圍巖的整體穩(wěn)定性，需采取有效措施來強(qiáng)化支護(hù)力度。

基于理論研究，數(shù)值模擬分析確定的高抽巷支護(hù)參數(shù)為：

頂板支護(hù)：采用錨桿+錨索+矩形金屬網(wǎng)+雙鋼筋托梁支護(hù)頂板。各排布置6根錨桿，其排距為900 mm×1 100 mm，所有錨桿皆配備1支K2350和1支 Z2350樹脂藥卷加長錨固。選用方形托盤，其尺寸是150 mm×150 mm×10 mm；使用d18.9 mm錨索，長度為5 300 mm，間排距為 2 700 mm×1 100 mm，各排1套和2套錨索相間固定，所有錨索皆配備1支K2350和2支 Z2350樹脂藥卷加長錨固，選用方形托盤，其尺寸是300 mm×300 mm×10 mm.其中錨桿安裝預(yù)緊扭矩大于300 N·m，錨固力大于200 kN；錨索張拉預(yù)緊力大于200 kN，錨固力大于400 kN.

兩幫支護(hù)：按照錨桿加矩形金屬網(wǎng)加單鋼筋托梁的方式對兩幫進(jìn)行支護(hù)，各幫安排4根錨桿，其間排距保持800 mm×1 100 mm，所有錨桿皆配備1支K2350和1支Z2350樹脂藥卷加長錨固，選用方形托盤，其尺寸是150 mm×150 mm×10 mm.

3.2 高抽巷圍巖控制效果分析

在距巷道迎頭10 m位置處布置巷道表面位移觀測站，監(jiān)測記錄巷道圍巖表面位移量及頂板巖層離層量，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制的高抽巷掘進(jìn)期間巷道圍巖變形量和頂板離層量見圖4，圖5.

分析圖4，5可知，高抽巷開掘初期，圍巖變形速率較大，隨著時間增加，圍巖變形速率降低，最后接近0.巷道開掘后7天內(nèi)，圍巖變形量達(dá)到其最終變形量的1/2，7天之后巷道圍巖變形量緩慢增加，掘進(jìn)12天后變形基本趨于穩(wěn)定。最后，頂?shù)装迮c兩幫的移近量最大值分別為173 mm、122 mm.

圖4 高抽巷圍巖變形量曲線圖

圖5 高抽巷頂板離層量曲線圖

頂板錨固區(qū)內(nèi)淺基點和錨固區(qū)外深基點的最大離層量分別為56 mm、34 mm，總離層量為90 mm；巷道掘進(jìn)后頂板的離層狀況可劃分為3個時期：快速離層期、緩速離層期、穩(wěn)定離層期。在第一時期內(nèi)即大約掘進(jìn)后5天內(nèi)，頂板在短時間內(nèi)快速下沉，其下沉量通常占總離層量的50%；第二時期即大約掘進(jìn)后5～12天，盡管離層速度較慢，不過其離層量逐漸增多；第三時期即掘進(jìn)12天后，頂板離層保持平穩(wěn)。頂板離層通常出現(xiàn)于錨固區(qū)內(nèi)，錨固區(qū)外離層量非常小，表明錨桿支護(hù)可合理控制頂板離層，避免錨固區(qū)內(nèi)巖體破壞變形。

參 考 文 獻(xiàn)

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