九里山礦16071工作面底抽巷層位選擇研究

李 楠，孟馮超，趙高博

(1.河南能源化工集團 焦煤公司，河南 焦作 454150； 2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

煤層開采誘發(fā)周圍覆巖巖層破壞，覆巖破壞后的裂隙演化伴隨著瓦斯的涌出、流動、聚集[1-2]。如何在工作面底板合適的層位布置有效、穩(wěn)定的底抽巷，是顯著提高瓦斯抽采效率的關鍵措施之一[3-7]。目前，在工作面底板布置底抽巷已經是多數(shù)高瓦斯礦區(qū)瓦斯綜合治理的重要技術手段之一[8-11]，這也是焦作礦區(qū)瓦斯綜合治理的重要技術手段之一，通過底抽巷向采掘區(qū)域施工抽采鉆孔，預抽瓦斯來消除采掘范圍內的煤與瓦斯突出危險。但是，焦作礦區(qū)底抽巷層位選擇不一，不同礦井、甚至同一礦井不同地區(qū)工作面的底抽巷設計層位均存在一定的差異，造成巷道的支護效果各不相同[12-15]。因此，對焦作礦區(qū)底抽巷層位的選擇進行深入的分析研究十分緊迫和必要。以焦作礦區(qū)九里山16701工作面為工程背景，現(xiàn)場觀測得到了工作面底抽巷失穩(wěn)的過程；并通過FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了底抽巷受上部工作面回采擾動的影響規(guī)律；最終確定了該工作面底抽巷最佳的層位選擇。

1 九里山礦16071工作面概況

九里山礦隸屬于河南能源化工集團焦煤公司，位于河南省北部，主采二1煤層，煤層平均厚度為7 m，為中灰低硫優(yōu)質無煙煤，煤層原始瓦斯含量5～42 m3/t，瓦斯壓力0.10～3.05 MPa，透氣性系數(shù)0.11～5.64 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.026 0～0.030 1 d-1。16071工作面位于九里山礦16采區(qū)，該工作面的頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 16071工作面頂?shù)装迩闆rTab.1 Roof and floor conditions of 16071 working face

2 工作面底抽巷布置與失穩(wěn)

2.1 工作面底抽巷布置

16071底抽巷位于九里山礦16采區(qū)東翼中部，巷道設計全長850 m，服務年限為3年，采用錨網噴支護方式，巷道斷面均為直墻半圓拱，炮掘方式施工巷道凈寬為3.6～4.0 m，綜掘方式施工巷道凈寬為4.0～4.5m，凈高為3.2～3.5 m。錨桿普遍選用2.4 m高強錨桿及1.8 m等強錨桿，錨桿預緊扭矩120～200 N·m。16701工作面底抽巷的布置主要分為水平方向上與豎直方向方面。水平方向方面底抽巷與上部工作面煤巷分為內錯、正下、外錯等多種布置方式，且內錯、外錯距離2～8 m；垂直方向方面底抽巷距煤層底板最小法線距離原則上一般控制在8～11 m，相對統(tǒng)一。底抽巷布置方式如圖1所示。

圖1 底抽巷平面、剖面布置示意Fig.1 Plane and section layout of floor drainage roadway

2.2 工作面底抽巷失穩(wěn)過程

經過現(xiàn)場長期觀測，九里山礦16101、16121工作面底抽巷掘進一年后，可明顯看出巷道逐步變形直至失修的過程，首先是掘出時間較短的上段巷道逐步出現(xiàn)局部噴體開裂現(xiàn)象，然后發(fā)展至中部巷道幫部肩窩錯動并逐步外鼓，部分區(qū)段頂板也隨之逐步下沉，最后掘出時間最長的下段巷道部分區(qū)段已變形嚴重需要擴修。總結歸納九里山礦工作面的底抽巷失穩(wěn)變形破壞過程主要有4步：噴體開裂、幫部錯動外鼓、頂板下沉甚至冒落、整體收斂變形失修，如圖2所示。底抽巷的層位選擇與支護方式對底抽巷的穩(wěn)定性有較大影響。本文主要關注底抽巷層位選擇對底抽巷穩(wěn)定性的影響，主要包括垂直方向、水平方向兩個方向上的底抽巷層位選擇。

圖2 底抽巷失穩(wěn)過程Fig.2 Instability process of floor drainage roadway

3 垂直方向底抽巷層位選擇

目前垂直距離上焦作礦區(qū)各礦井(包括九里山礦)底抽巷距煤層底板最小法線距離原則上一般控制在8～11 m，相對統(tǒng)一，因為焦作礦區(qū)底抽巷在垂直方向上布置受到多種因素制約，具體如下。

(1)防突管理相關規(guī)定制約?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》第二十一條規(guī)定：所有突出煤層外的掘進巷道(包括鉆場等)距離突出煤層的最小法向距離小于10 m時(在地質構造破壞帶小于20 m時)，必須邊探邊掘，確保最小法向距離不小于5 m?！督姑杭瘓F一通三防技術管理規(guī)定》要求：突出礦井施工頂、底板巖巷期間要嚴格執(zhí)行超前探測管理規(guī)定，防止誤揭構造、誤揭煤層誘發(fā)煤與瓦斯突出事故。巖巷與煤層間的法線距離不得低于10 m，特殊情況下巖柱厚度低于10 m的，必須報請集團公司批準。未經批準巖柱小于8 m的，將按重大隱患進行責任追究。以上規(guī)定明確焦作礦區(qū)底抽巷垂直方向上距煤層法線距離不能小于8 m。

(2)底板防治水因素制約。焦作礦區(qū)是公認的大水礦區(qū)，區(qū)內各礦井都存在帶壓開采問題，在煤層底板下開掘巷道，必然會對底板造成一定破壞，容易引起底板突水事故的發(fā)生。要盡量減小工作面與底抽巷的突水危險，就必須保證在采動影響下底板具有足夠厚度的隔水層來抵擋底板含水層的水頭壓力。因此，考慮底板防治水安全，焦作礦區(qū)(包括九里山礦)底抽巷在滿足防突管理相關規(guī)定要求下盡可能向上布置，以減少對底板含水層的影響。

(3)瓦斯治理工程效果制約。底抽巷與煤層距離越遠，瓦斯治理穿層鉆孔長度越長，鉆孔工程量越大，鉆孔施工越困難且鉆孔誤差越大，可能造成鉆孔抽采效果越差，因此底抽巷距離煤層距離也應盡可能較小。

(4)理論計算垂直層位。煤層底板在工作面推進過程中會產生塑性破壞區(qū)，若底抽巷布置在該塑性破壞區(qū)內，則在煤層回采期間底抽巷將極易失穩(wěn)?；谙嚓P底板滑移線場理論，沿煤層走向方向工作面底板最大破壞深度(hmax)計算公式為[16]：

(1)

式中，α為煤層傾角；k為工作面超前支承壓力集中系數(shù)；p為承壓水壓力；H為煤層埋深，φ0為底板巖體平均內摩擦角；c為煤層底板平均黏聚力；λ為采空區(qū)底板垮落碎脹系數(shù)；γ為采場底板巖層容重；M為煤層厚度；β=arccos(cosαsinφ0-sinα)。

根據(jù)九里山礦16071工作面實際地質情況，代入式(1)得到煤層最大底板破壞深度計算結果與上述分析相近，約為11 m。

綜上所述，九里山礦底抽巷受防突管理規(guī)定及底板防治水安全因素制約，并且為了盡可能減小區(qū)域瓦斯治理工程難度，提高預抽瓦斯效果，九里山礦底抽巷在垂直方向選擇余地不大。

4 水平方向底抽巷位置選擇

在水平方向上，焦作礦區(qū)不同礦井、甚至同一礦井不同地區(qū)底抽巷的位置選擇存在多種方式。底抽巷與上部工作面巷道存在內錯、正下、外錯等多種布置方式。為研究底抽巷受上部工作面回采擾動的影響規(guī)律，選取合理的水平方向巷道位置，以九里山礦地質條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行模擬計算。

4.1 模型建立

以九里山礦16071工作面地質條件為背景建立模型，主要研究工作面開采后對不同位置的底抽巷影響程度，本次數(shù)值模擬主要針對5種不同的相對位置：①底抽巷在工作面巷道正下方；②底抽巷向工作面內錯5 m；③底抽巷向工作面內錯8 m；④底抽巷向工作面外錯5 m；⑤底抽巷向工作面外錯8 m。

本次建立的數(shù)值模型長為200 m，寬為10 m，高為60 m，采用施加應力的方法代替上覆巖層自重。其中模型中底抽巷距煤層的垂向距離為11 m，底抽巷布置在底板粉砂巖中，為直墻半圓拱形。本次模擬采厚為4 m，模型共87 800個單元，99 209個節(jié)點，模型整體按計算區(qū)域的重要程度來調整網格單元的疏密，工作面達到初始平衡后開挖底抽巷。模型前后和左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零；模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移為零；模型頂部為自由邊界，將上覆巖層自重等效為均布荷載施加在模型上邊界。其中底抽巷內錯工作面8 m的模型如圖3所示。

圖3 底抽巷內錯工作面8 m模型Fig.3 8 m model drawing of inner staggered working face in bottom pumping roadway

根據(jù)九里山礦16071工作面圍巖物理力學性質實驗結果進行適當折減，得到此次數(shù)值模擬的具體參數(shù)見表2。

表2 模型中圍巖物理力學參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock in the model

4.2 模擬結果及分析

根據(jù)上述模擬方案依次進行數(shù)值模擬分析，得到不同方案條件下16701工作面頂板、底抽巷塑性區(qū)，用于揭示該工作面頂板、底抽巷的失穩(wěn)情況。不同模擬方案下工作面回采后頂板、底抽巷塑性破壞區(qū)域分布圖如圖4所示。

圖4 不同模擬方案下頂板、底抽巷塑性破壞區(qū)域分布Fig.4 Distribution of plastic failure area of roof and floor drainage roadway under different simulation schemes

(1)當?shù)壮橄飪儒e工作面5 m和8 m時(圖4(a)、圖4(b))，底板的塑性破壞最大處位于煤柱的下方，以剪切破壞為主，采空區(qū)正下方塑性破壞深度較淺，未發(fā)展到底抽巷位置處，巷道整體處于應力釋放區(qū)域內，圍巖未因上方工作面的回采發(fā)生塑性破壞。

(2)當?shù)壮橄镂挥诠ぷ髅嫦锏勒路綍r(圖4(c))，巷道圍巖出現(xiàn)塑性破壞，主要位于巷道拱頂和底角，拱頂以張拉破壞為主，底角以剪切破壞為主，破壞區(qū)域未與煤柱下方塑性破壞區(qū)域相連通，此情況下巷道頂板出現(xiàn)下沉。

(3)底抽巷外錯工作面5 m時(圖4(d))，巷道圍巖塑性破壞區(qū)域進一步擴大，整個拱頂和底板整體發(fā)生破壞，拱頂仍以張拉破壞為主，底板以剪切破壞為主，體現(xiàn)為現(xiàn)場頂板下沉、底板底鼓，進一步增大支護難度。

(4)底抽巷外錯工作面8 m時(圖4(e))，巷道淺部圍巖全部發(fā)生塑性破壞，且進一步向深部圍巖擴展，工作面煤柱下方塑性破壞區(qū)域與巷道圍巖塑性破壞區(qū)域連通，支護難度較大。

為進一步分析工作面開采后底板巖層與工作面底抽巷失穩(wěn)情況，著重分析底抽巷塑性區(qū)情況，底抽巷內錯、外錯工作面如圖5、圖6所示。

圖5 底抽巷內錯工作面Fig.5 Inner staggered working face of floor drainage roadway

圖6 底抽巷外錯工作面Fig.6 Working face with floor drainage roadway staggered outside

由圖5可知，當?shù)壮橄飪儒e布置時，底抽巷均沒有出現(xiàn)塑性區(qū)；由圖6可知，當?shù)壮橄锊贾迷诠ぷ髅嫦锏勒路交蛘咄忮e布置時，底抽巷均出現(xiàn)了不同程度的塑性變形。對上述塑性破壞計算結果綜合分析，不主張底抽巷布置在工作面外錯位置，應布置在工作面內錯位置，但內錯距離較大時增大了巷道服務下個工作面時施工抽采鉆孔的難度。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結果得到九里山礦16071工作面底抽巷在垂直方向與水平方向上最佳層位選擇為：底抽巷距煤層底板的垂向距離為11 m；水平方向上內錯工作面巷道5 m。

5 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

5.1 九里山礦16071底抽巷概況

16071底抽巷位于九里山礦16采區(qū)東翼中部，巷道設計全長850 m，該巷外段0～630 m凈寬B=4.0 m，h=1.4 m，凈高H=3.4 m，采用綜掘方式掘進，巷道普遍出現(xiàn)變形及底鼓現(xiàn)象，局部區(qū)段變形失修嚴重甚至出現(xiàn)頂板小范圍垮落。該巷道掘進過程中揭露L9灰?guī)r，根據(jù)層位關系顯示，L9灰?guī)r可作為保證留設規(guī)定巖柱厚度的標示層。L9灰?guī)r平均厚度0.7 m，深灰色，塊狀，夾方解石細脈。L9灰?guī)r頂部粉砂巖厚度11.1 m左右，灰黑色，層狀，含植物葉部化石；底部粉砂巖厚度10.6 m左右，灰黑色，中厚層狀，致密，見白云母碎片。

5.2 16071底抽巷里段支護設計

16071底抽巷支護選用錨網索噴+注漿的支護方式，巷道采用直墻半圓拱斷面，斷面規(guī)格為4.4 m(寬)×3.4 m(高)。

錨桿選用無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，除底腳錨桿外，其他錨桿間排距為800 mm×800 mm；頂板打設點錨索補強支護，頂板點錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 300 mm，間排距均為1 600 mm，每排3根；幫部打設短錨索加強支護，幫部短錨索規(guī)格為φ17.8 mm×4 300 mm，間排距為1 400 mm×1 600 mm，1排4根(每側幫部2根)；鋼筋網用φ6 mm圓鋼筋焊接而成，規(guī)格為2.0 m×1.0 m，網片搭接長度不小于100 mm，連網每間隔不大于2格用14號鉛絲雙股雙排綁扎，鉛絲必須旋擰不得少于3圈。在錨網后噴射一次混凝土封閉巷道，噴射混凝土厚度20～50 mm(封閉巷道)。

5.3 礦壓觀測及支護效果驗證

此次在16071底抽巷試驗段共建立5個測點，分別位于通尺650、680、710、750、810 m。其中，通尺650、680 m為低預緊力錨網索+噴漿+注漿段；通尺710 m為高預緊力錨網索+噴漿+注漿段，通尺750、810 m為高預緊力錨網索+幫錨索+噴漿+注漿段。經過近6個月的觀測，觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表3。

表3 16071底抽巷測點變形量統(tǒng)計Tab.3 Deformation statistics of measuring points in 16071 floor drainage roadway

通過以上考察可看出，九里山礦16071底抽巷采用高預緊力錨網索+噴漿+注漿方式支護取得了良好的支護效果。此種聯(lián)合支護方式通過高預緊力錨網索支護及增加幫部短錨索，提高了巷道主動錨網支護的強度，通過噴漿封閉避免了巷道圍巖風化破壞，通過壁后注漿加固提高了巷道圍巖的整體性，雖然巷道斷面由原設計4.0 m增大到4.4 m，但巷道頂幫圍巖變形量相比原設計巷道變形量有了極大的減小。

6 結論

(1)通過現(xiàn)場觀測總結歸納得到九里山礦底抽巷失穩(wěn)變形破壞過程：噴體開裂、幫部錯動外鼓、頂板下沉甚至垮落、整體收斂變形失修，底抽巷合理的層位選擇對其穩(wěn)定性有較大作用。

(2)以九里山礦16071工作面為工程背景，通過數(shù)值模擬方法，研究了底抽巷受上部工作面回采擾動的影響規(guī)律，并選取了合理的水平方向巷道布置層位。

(3)從垂直方向、水平方向兩方面綜合分析得到了九里山礦16071工作面底抽巷的最佳層位選擇：底抽巷距煤層底板的垂向距離為11 m；水平方向上內錯工作面巷道5 m。