高瓦斯礦井巷道群合理布置及圍巖控制技術(shù)研究

孫志勇，賀光會，馬晉元

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.山西晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048205)

井工開采是我國煤炭開采的主要形式，占煤礦總數(shù)量的90%，在高瓦斯礦井,為滿足通風(fēng)和瓦斯治理要求，通常采用巷道群多巷布置，提前打設(shè)順層或穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，因此，越來越多的地下工程涉及到巷道群或峒室群的設(shè)計與穩(wěn)定性研究問題[1-2]。巷道群是指在地下某些區(qū)域成組開掘的一系列巷道，與單一巷道或峒室相比，由于存在巷道間的相互作用與影響，巷道群在開挖過程中，一方面很容易造成鄰近巷道圍巖變形和應(yīng)力集中，使得巷道群圍巖及護(hù)巷煤柱整體力學(xué)系統(tǒng)失穩(wěn)與破壞，另一方面護(hù)巷煤柱難以回收，極大浪費(fèi)了煤炭資源[3-4]。國內(nèi)許多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬等手段對巷道群圍巖破壞機(jī)理及控制技術(shù)展開了一系列的研究[5-8]。

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)寺河礦為高瓦斯礦井，煤層巷道掘進(jìn)過程中瓦斯壓力大，鉆孔施工過程中夾鉆、頂鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，掘進(jìn)效率低，嚴(yán)重制約了礦井的采掘接替。通過底板巖巷向前方煤層局部提前施工穿層鉆孔進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)預(yù)抽，可有效降低煤層瓦斯含量及壓力，加快掘進(jìn)速度，提高工效。巷道群多采用“三巖四煤”七巷布置，如圖1所示，布置順序依次為“煤-煤-巖-巖-巖巷-煤-煤”，其中三條底板巖巷位于巷道群中部，距煤層底板垂距為8～13 m。煤巷沿3號煤層底板掘進(jìn)，分別布置在巖巷兩側(cè)，七巷之間中-中平距均為35 m，共占煤柱215 m。這種布置方式優(yōu)點(diǎn)為煤巖巷掘進(jìn)過程中互不干擾，缺點(diǎn)為巖巷距離煤巷較遠(yuǎn)，施工穿層抽放孔工程量大，瓦斯抽放效果不理想，巖巷掩護(hù)煤巷掘進(jìn)的作用不明顯，導(dǎo)致煤巷掘進(jìn)速度慢，銜接緊張。下面以寺河煤礦西三盤區(qū)為例，對集中巷道群的布置進(jìn)行優(yōu)化分析。

2 巷道群布置優(yōu)化

2.1 巷道群布置

綜合考慮西三盤區(qū)盤區(qū)儲量、地質(zhì)條件、瓦斯涌出量及結(jié)合盤區(qū)整體布局、采掘銜接等因素，盤區(qū)集中巷道群優(yōu)化為“二巖四煤”六巷布置，通風(fēng)方式為“三進(jìn)三回”，采用煤巷與巖相間布置，巖巷超前掘進(jìn)預(yù)抽煤層瓦斯，如圖2所示。按瓦斯涌出量計算風(fēng)量，一個綜采工作面回采所需風(fēng)量為6 857.5 m3/min，一個三巷平行掘進(jìn)頭面，采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)時所需風(fēng)量為3 250 m3/min，一個雙巷平行掘進(jìn)頭面，采用“一進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)時所需風(fēng)量為2 600 m3/min。根據(jù)上述計算，盤區(qū)采掘面所需風(fēng)量為(6 857.5+3 250+2 600)×1.2=15 249 m3/min，其中1.2為盤區(qū)通風(fēng)系數(shù)。地面風(fēng)井風(fēng)量最大提供能力為29 000 m3/min，通過計算，巷道群“六巷布置”能夠滿足盤區(qū)一個綜采回采工作面和兩個多巷平行掘進(jìn)工作面的風(fēng)量需求。

圖1 巷道群布置示意圖

圖2 優(yōu)化后巷道群布置示意圖

2.2 巖巷層位選擇

巷道數(shù)量確定后，需進(jìn)一步確定巷間煤柱尺寸b、巖巷與3號煤底板垂距h兩個參數(shù)。西三盤區(qū)巖性綜合柱狀如圖3所示，3號煤平均厚度為6 m，直接底和老底以砂質(zhì)泥巖為主。老底下部為致密堅硬的K6灰?guī)r，強(qiáng)度高，距離3號煤層底板8.5 m。5號煤賦存在K6灰?guī)r下部，厚度0.2～0.5 m，瓦斯含量較高。

根據(jù)3號煤層底板巖性條件，選擇三種巖巷層位。①以K6灰?guī)r為頂板掘進(jìn)，巖巷頂板距3號煤底板法向垂距12 m，圖3中①處拱形位置。優(yōu)點(diǎn)為距3號煤較遠(yuǎn)，受煤巷掘進(jìn)擾動影響小，且頂板為穩(wěn)定巖層，易維護(hù)；缺點(diǎn)是巖巷內(nèi)施工瓦斯抽放鉆孔距離長，且需穿過K6灰?guī)r，打鉆困難。②以5號煤為腰線掘進(jìn)，巖巷頂板距3號煤底板法向垂距9 m，圖3中②處拱形位置。優(yōu)點(diǎn)為施工瓦斯抽放鉆孔不需穿過K6灰?guī)r，打鉆較為容易；缺點(diǎn)為巷道掘進(jìn)需開挖K6灰?guī)r，同時受5號煤層瓦斯涌出影響，掘進(jìn)速度慢。③以K6灰?guī)r為底板掘進(jìn)，巖巷頂板距3號煤底板法向垂距6 m，圖3中③處拱形位置。優(yōu)點(diǎn)為施工瓦斯抽放鉆孔距離短，工程量?。蝗秉c(diǎn)為距3號煤較近，受煤巷掘進(jìn)擾動影響大。

采用FLAC有限元軟件，巖巷為直墻半圓拱斷面，寬度5.3 m，墻高1.8 m，拱高2.65 m，建立煤柱寬度b分別為25 m、30 m，巖巷與3號煤底板垂距h分別為12 m、9 m、6 m六種模型進(jìn)行計算，巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示，計算結(jié)果見表2。

從上述模擬結(jié)果分析，巷道掘進(jìn)后，留設(shè)煤柱b為25 m與b為30 m相比，頂板下沉量升高35.3%，底鼓量升高23%，兩幫移近量升高33.3%。當(dāng)煤柱b為25 m時，隨著垂距h的減小(12 m→9 m→6 m)，巷道圍巖垂直位移分別升高3.2%、14%，水平位移分別升高3.2%、12.2%。當(dāng)煤柱b為30 m時，隨著垂距的減小(12 m→9 m→6 m)，巷道圍巖垂直位移分別升高2.3%、14.8%，水平位移分別升高2.4%、10.6%。

圖3 巖層綜合柱狀圖

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

巖性體積模量/GPa剪切模量/GPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa細(xì)粒砂巖4.63.93.3310.7砂質(zhì)泥巖1.42.32.4230.43號煤1.11.31.2210.3砂質(zhì)泥巖1.62.52.6200.5細(xì)粒砂巖5.13.73.5290.8砂質(zhì)泥巖1.62.52.6200.5K6灰?guī)r54.526.84.8454.55號煤層1.21.41.3250.3砂質(zhì)泥巖1.82.83.0220.6細(xì)粒砂巖5.34.24.2300.8

表2 不同布置方式下圍巖變形情況

基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)條件、各方案的優(yōu)缺點(diǎn)及后期巷道圍巖穩(wěn)定性控制，確定煤巖巷道之間水平煤柱寬度b不小于30 m，巷道群共占煤柱尺寸B為155 m，煤巷與巖巷層間垂距h不低于6 m。

3 圍巖控制方案

巷道群圍巖控制采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索主動支護(hù)技術(shù)[9-11]，技術(shù)原理(圖4)為協(xié)調(diào)原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場、支護(hù)應(yīng)力場[12-15]之間的相互作用，實現(xiàn)原巖體、采動體及支護(hù)體有機(jī)的結(jié)合。巷道開挖后及時主動支護(hù)，對支護(hù)體施加足夠的預(yù)應(yīng)力并實現(xiàn)有效擴(kuò)散，在錨固區(qū)范圍內(nèi)形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)的擴(kuò)容變形，包括圍巖之間剪切、離層和相對滑動等，保持圍巖完整性和自承能力[16-18]。

圖4 圍巖控制原理圖

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，提出集中巷道群的圍巖控制方案。

1) 煤巷支護(hù)。矩形斷面，寬×高=5 m×3.8 m，頂板支護(hù)采用500號錨桿，直徑22 mm，長度2.4 m，每排布置6根，排距1 m，預(yù)緊扭矩≥300 N·m。錨索直徑為22 mm，長度7.3 m，2-0-2布置，排距2 m，預(yù)緊力>250 kN；巷幫支護(hù)采用500號錨桿，直徑22 mm，長度2 m，每排每幫布置4根，排距1 m，預(yù)緊扭矩≥300 N·m，采用菱形網(wǎng)護(hù)表。

2) 巖巷支護(hù)。直墻半圓拱斷面，寬度5.3 m，墻高1.8 m，拱高2.65 m，半圓拱支護(hù)采用500號錨桿，直徑22 mm，長度2.4 m，每排布置9根，排距1 m，預(yù)緊扭矩≥300 N·m。錨索直徑22 mm，長度5.3 m，2-1-2布置，排距2 m，預(yù)緊力>250 kN；直墻支護(hù)采用500號錨桿，直徑22 mm，長度2.4 m，每排布置4根，排距1 m，預(yù)緊扭矩≥300 N·m，采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表。

現(xiàn)場巷道施工后，采用“十字布點(diǎn)”法對巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，采用錨桿測力計監(jiān)測支護(hù)體受力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道礦壓監(jiān)測曲線

圍巖變形分析：①煤巷頂?shù)装逡平孔畲?7 mm，為初始巷道高度的1.2%，兩幫移近量最大為66 mm，為初始巷道寬度的1.3%；巖巷頂?shù)装逡平孔畲鬄?8 mm，為初始巷道高度的0.4%，兩幫移近量最大為22 mm，為初始巷道寬度的0.4%；②無論煤巷還是巖巷，巷道變形量均較小，巷道圍巖保持了較好的完整性，說明高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)有效地控制了巷道圍巖的變形。

支護(hù)體受力分析：整體上來看，支護(hù)體受力變化波動較小，且多數(shù)呈遞增趨勢，說明錨桿錨索發(fā)揮了應(yīng)有的支護(hù)效果，起到了控制圍巖變形的作用。

4 結(jié) 論

1) 基于不同層位與煤柱尺寸的巷道群圍巖位移分布規(guī)律，綜合考慮地質(zhì)條件、采掘銜接及圍巖控制等因素，確定了巷道群“四煤二巖”六巷布置方式，采用煤巷與巖巷相間排列，垂距6 m的底板巖巷超前預(yù)抽掩護(hù)雙側(cè)煤巷掘進(jìn)，提高瓦斯抽采和掘進(jìn)效率。

2) 針對巷道群圍巖變形破壞特征，提出了高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索主動支護(hù)方案，井下礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，支護(hù)方案有效控制了圍巖的變形破壞。

3) 通過布置優(yōu)化，減少60 m巷道群占用煤柱和底板巖巷工程量，節(jié)約煤炭資源163萬t，提高了巷道群兩側(cè)工作面的資源回收率和礦井的經(jīng)濟(jì)效益。