塔山煤礦高抽巷布置層位及支護(hù)研究與應(yīng)用

高貴寶

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣煤業(yè)公司,山西 大同 037000)

1 工程概況

塔山煤礦3-5號(hào)層二盤(pán)區(qū)8222工作面位于二盤(pán)區(qū)西南部,東北為2222巷,西南為5222巷,東南以二盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷為界,北西至鐵路村莊及工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱,蓋山厚度在339～590 m,頂板高抽巷是8222回采工作面的瓦斯治理巷,全長(zhǎng)2 907 m.3-5號(hào)煤層直接頂巖性自下而上為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖下部局部夾有粉砂巖、含泥質(zhì)條帶,平行層理,含有植物化石碎屑,總厚度1.45～16.18 m,平均7.41 m,老頂巖性為灰白色含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖、淺灰黑色砂質(zhì)泥巖、深灰色砂礫巖,總厚度0.72～19.56 m,平均8.3 m.為保障高抽巷對(duì)于工作面瓦斯的治理效果同時(shí)確保其圍巖穩(wěn)定性展開(kāi)相關(guān)研究。

2 頂板高抽巷合理層位分析

頂板高抽巷的布置層位不僅影響其瓦斯抽采效果,而且影響其圍巖自身的穩(wěn)定性及支護(hù)難度。煤層開(kāi)采后,將不可避免地引起上覆巖層垮落、破斷、彎曲下沉,采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)如圖1所示,若將高抽巷布置在冒落帶內(nèi),高抽巷將隨采空區(qū)頂板巖層的冒落而破壞,導(dǎo)致對(duì)于采空區(qū)瓦斯抽采效果差;若將高抽巷布置在彎曲下沉帶內(nèi),與煤層及采空區(qū)垂直距離過(guò)大,且?guī)?nèi)巖層完整性較好、透氣性差,雖然巷道圍巖受到工作面采動(dòng)影響可能較小,但是容易抽不出瓦斯;若將高抽巷布置在覆巖裂隙帶內(nèi),煤層及采空區(qū)內(nèi)瓦斯經(jīng)過(guò)采動(dòng)卸壓影響后可流入高抽巷,且巷道圍巖受采動(dòng)影響也較小,因此高抽巷豎直方向應(yīng)布置在覆巖裂隙帶內(nèi)。綜放工作面裂隙帶發(fā)育高度可采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算,根據(jù)塔山煤礦8222回采工作面頂板巖層,確定其冒落帶高度經(jīng)驗(yàn)公式[1]:

(1)

裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式:

(2)

塔山煤礦8222工作面煤層總厚度約14.36 m,計(jì)算可確定冒落帶最大高度22.6 m,裂隙帶最小高度48.4 m,因此可確定頂板高抽巷垂直層位為距煤層頂板22.6～48.4 m.根據(jù)高抽巷抽采理論可知[2-3],高抽巷與上隅角距離愈小對(duì)于上隅角瓦斯治理效果越好,但是回風(fēng)巷附近煤巖體由于應(yīng)力集中、采動(dòng)影響,附近煤層和巖層已較松軟,若距回風(fēng)巷過(guò)近,將存在抽采系統(tǒng)漏風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合相關(guān)實(shí)踐研究成果,高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離不應(yīng)小于15 m,而采空區(qū)中部將形成重新壓實(shí)區(qū),采空區(qū)瓦斯向上滲透性較差,高抽巷與回風(fēng)巷距離不應(yīng)大于工作面長(zhǎng)度的三分之一,因此確定高抽巷與回風(fēng)巷水平間距合理范圍為15～40 m.

圖1 覆巖采動(dòng)三帶煤層傾向形態(tài)示意

3 高抽巷合理層位模擬研究

結(jié)合分析結(jié)果可知,高抽巷垂直層位的合理范圍距煤層頂板為22.6～48.4 m,距水平巷合理距離為15～40 m,為進(jìn)一步確定高抽巷布置的最佳層位,依據(jù)塔山煤礦8222工作面實(shí)際條件,采用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型[4],模擬研究無(wú)支護(hù)條件下,高抽巷布置在不同位置時(shí)圍巖內(nèi)應(yīng)力分布及表面位移,共設(shè)計(jì)6種布置方案,與煤層頂板垂直距離H(30～40 m),與回風(fēng)巷水平距離S(20～40 m),方案1:H=30 m,S=20 m;方案2:H=30 m,S=30 m;方案3:H=30 m,S=40 m;方案4:H=40 m,S=20 m;方案5:H=40 m,S=30 m;方案6:H=40 m,S=40 m.分別對(duì)各方案進(jìn)行模擬分析,得到圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力分布及表面變形量模擬結(jié)果,如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬研究結(jié)果

圖2(a)所示結(jié)果為巷道兩幫腰線處由表面至深處20 m垂直應(yīng)力變化規(guī)律,可以看出:幫部煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律為先增大后減小并趨于穩(wěn)定,其中方案1和方案4條件下,高抽巷幫部垂直應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于其余方案,不利于高抽巷的長(zhǎng)期穩(wěn)定,由此說(shuō)明,高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離不應(yīng)小于20 m,因此排除方案1和方案4.圖2(b)為不同布置方案條件下巷道表面最大變形量模擬結(jié)果,可以看出:高抽巷垂直方向布置在同一層位時(shí),水平方向越遠(yuǎn),離回風(fēng)巷表面變形量越大,如方案3和方案6,巷道整體下沉量達(dá)到800～950 mm,由此確定巷道距回風(fēng)巷的水平距離為30 m,排除方案3和方案6.方案2與方案5對(duì)比發(fā)現(xiàn),圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力及表面變形量差異不大,考慮到巷道掘進(jìn)成本、瓦斯抽采效果等因素,確定高抽巷最優(yōu)布置方案為方案2(H=30 m,S=30 m)。

4 頂板高抽巷圍巖控制技術(shù)

根據(jù)前面研究結(jié)果及8222工作面頂?shù)装鍘r層特征可知,高抽巷布置在距煤層頂板30 m的砂質(zhì)泥巖中。結(jié)合塔山煤礦巖巷支護(hù)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式,錨桿規(guī)格MSGLW500/22×2 400 mm,錨索采用Φ18.9 mm×5 300 mm 的鋼絞線,為確保支護(hù)方案的合理性,采用FLAC3D軟件進(jìn)行高抽巷開(kāi)挖支護(hù)的模擬分析,巷道斷面寬×高=5.0 m×3.0 m.設(shè)計(jì)錨桿布置方式為:方案1:四五四(兩幫各每排4根,頂板每排5根);方案2:三六三;方案3:四六四。各支護(hù)方案錨桿的布置排距均為1.1 m,頂板錨索布置方式分別為無(wú)錨索、“111”、“121”、“222”.得到其表面位移量的分析結(jié)果如圖3所示,可以看出:錨桿采用方案1布置時(shí),頂板下沉量、底板底鼓量、左幫移近量均為3個(gè)方案中的較大值,方案3條件下,巷道表面變形量均為較小值,因此確定錨桿的布置方案為“四六四”。頂板布置錨索后,巷道表面變形量相對(duì)于無(wú)錨索條件下均有明顯減小,錨索采用“121”和“222”布置條件下,巷道表面變形量均較小,考慮經(jīng)濟(jì)效益、施工速度等因素,確定頂板錨索采用“121”布置方式。

圖3 錨桿、錨索不同布置方式下巷道表面位移量變化規(guī)律

5 工程實(shí)踐及效果監(jiān)測(cè)

5.1 高抽巷支護(hù)方案

結(jié)合前面數(shù)值模擬結(jié)果,塔山煤礦8222高抽巷布置在距離煤層頂板30 m的砂質(zhì)泥巖巖層內(nèi),與回風(fēng)巷平距30 m,掘巷期間采用錨網(wǎng)索支護(hù),巷道掘進(jìn)斷面寬×高=5.0 m×3.0 m,頂板錨桿間排距為0.9 m×1.1 m,錨桿間采用Φ14 mm 雙鋼筋托梁連接,錨桿配套使用蝶形托盤(pán)和讓壓管,每根錨桿的預(yù)緊力不小于300 N·m,頂板錨索采用1×7 股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線,預(yù)緊力不小于200 kN,錨索間排距為2.7 m×1.1 m,采用“121”布置方式,具體支護(hù)形式如圖4所示。

圖4 8222高抽巷支護(hù)示意(單位:mm)

5.2 應(yīng)用效果分析

高抽巷掘進(jìn)施工完成后進(jìn)行密閉處理,因此僅能通過(guò)掘巷階段的礦壓顯現(xiàn)特征驗(yàn)證其支護(hù)效果,掘巷階段采用測(cè)桿、鋼卷尺、深基點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道表面變形量及頂板離層量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),得到高抽巷表面變形量、頂板離層量隨時(shí)間的變化規(guī)律,如圖5所示。掘巷支護(hù)完成10 d內(nèi),表面變形量迅速增大;當(dāng)掘巷兩周后,圍巖基本穩(wěn)定,表面變形量不再變化,頂?shù)装逡平?69 mm,兩幫移近量119 mm,巷道圍巖變形量在預(yù)計(jì)范圍內(nèi);頂板離層量也在掘巷兩周后趨于穩(wěn)定,錨桿錨固區(qū)內(nèi)最大離層值約為55 mm,錨固區(qū)外離層值為33 mm,總離層值為88 mm,各區(qū)段離層值均在錨桿、錨索容許的延伸范圍內(nèi),說(shuō)明支護(hù)系統(tǒng)有效抑制了頂板的離層破壞,加固效果良好。

圖5 掘巷階段圍巖變形量及變形速率變化規(guī)律

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 塔山煤礦8222工作面冒落帶發(fā)育最大高度為22.6 m,裂隙帶發(fā)育最小高度為48.4 m,高抽巷需布置在裂隙帶內(nèi),與煤層頂板距離的合理范圍為22.6～48.4 m,與回風(fēng)巷平距的合理范圍為15～40 m.

2) 通過(guò)數(shù)值模擬分析確定,當(dāng)高抽巷布置在距煤層頂板30 m、與回風(fēng)巷平距30 m處,圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力集中程度、表面變形量均相對(duì)較小,采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式,錨桿合理布置方式為“四六四”,錨索合理布置方式為“121”。

工程應(yīng)用實(shí)踐表明:掘巷階段表面變形量在合理范圍內(nèi),頂板離層量較小且得到有效控制,圍巖控制及維護(hù)效果良好,為高抽巷在工作面回采期間發(fā)揮作用提供了有力保障。