底板瓦斯抽放巖巷合理位置及穿層鉆孔布置研究

王 鵬 李 寧

（1.河南能源焦煤集團鑫珠春工業有限責任公司，河南 焦作 454003；2.河南理工大學萬方科技學院，河南 焦作 454000）

1 工程背景

69104工作面所屬礦井為煤與瓦斯突出礦井，主采9#煤層，根據煤層瓦斯基本參數測定及煤層突出危險性報告顯示，9#煤層在埋深207.22m水平以上不具有突出危險性，而69104運輸巷所在9#煤層埋深在210～290m，在埋深207.22m以下，因此69104運輸巷掘進前，必須采取區域綜合防突措施［1-2］。

69104工作面運輸巷在開口位置至掘進66m段，采用頂板穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯的區域防突措施，盡管取得一定效果，但頂板穿層鉆孔在施工過程中由于向下打鉆，鉆孔內排粉和排水困難，嚴重影響掘進速度，無法滿足進度要求。為此，提出在運輸巷下方布置底板巖石抽放巷利用穿層鉆孔預抽煤巷周圍瓦斯，掩護運輸巷安全掘進，而底板抽放巷與運輸巷的空間相對位置是決定保護效果以及經濟性的重要因素［3］。因此，文章以69104工作面背景，展開底抽巷與運輸巷空間相對位置的研究。

2 運輸巷與底抽巷相對位置

2.1 理論分析

在上部煤層回采活動影響下，底板抽放巷的受力狀況和圍巖變形有很大的差別。按照巷道和上部煤層回采空間的相對位置和開采時間關系，巷道的位置可歸納為以下三種情況［1-3］：

①布置在已穩定的采空區下部。在上部煤層回采空間形成的底板應力降低區內，巷道整個服務期間內不受采動影響。

②布置在保護煤柱下部。經歷保護煤柱兩側回采工作面的超前采動影響。保護煤柱形成后，一直受保護煤柱支承壓力的影響。當保護煤柱足夠寬或者巷道與保護煤柱的間距足夠大時，底抽巷可以避開采動影響，處于原巖應力場內。

③布置在尚未開采的工作面下部。經歷上部采面的跨采影響后，位于已穩定的采空區下部應力降低區內。工作面跨越開采時可引起圍巖強烈變形，然后又趨向穩定，底抽巷服務期間維護狀況較好。

根據地質報告揭露，9#煤層下方10m左右有一層煤線標志層，為此，選取底抽巷位于煤層底板下方10m處，即底抽巷頂板距離9#煤層底板的垂直距離為10m。固定底抽巷與煤層頂板的距離，研究垂直距離不變情況下，底抽巷與運輸平巷水平距離的變化對底抽巷維護以及抽采效果的影響［4-6］。

2.2 位移及應力分析

根據上述的方案，分別建立FLAC3D數值計算模型，模型中底抽巷均保持與工作面運輸巷垂直距離10m，而水平距離分別為0m、5m、10m進行研究，模型示意圖如下圖1所示。

圖1 數值計算模型示意圖

模型中均在底抽巷上選取兩個觀測斷面，在斷面的頂底板以及兩幫布置觀測線，研究運輸巷掘進過程中底抽巷圍巖變形及應力變化情況，記錄自掘進工作面距離觀測斷面30m至掘進工作面推過觀測斷面50范圍內，底抽巷圍巖變形情況，得出如下結論：

巷道平距分別為0m和5m時，底抽巷受采動影響，平距為0m時底抽巷破壞嚴重，平距為5m時，底抽巷在經過一定程度的維修后不影響使用功能。平距為0m時，巷道變形量最大，煤巷掘進時頂板下沉量為174mm，底板鼓起量為115mm，上幫移近量為82mm，下幫移近量為78mm。平距為5m時，巷道變形量較大，煤巷掘進時頂板下沉量為116mm，底板鼓起量為98mm，上幫移近量為74mm，下幫移近量為71mm。巷道平距分別為10m時，雖然底抽巷受采動影響小，巷道變形小，成巷狀況好，但是對于掩護運輸巷掘進來說，鉆孔長度增加，施工難度大，經濟效益不高。為此，選擇運輸巷與底抽巷平距為5m作為合理間距，來設計穿層鉆孔，見圖2所示。

圖2 底抽巷與運輸巷的相對位置

2.3 底抽巷位置及鉆孔設計

根據前面分析設計69104運輸巷底板瓦斯抽放巷斷面形狀為矩形，高2.5m，寬2.5m，斷面積6.25m2。支護方式采用錨桿、錨網、錨索聯合支護。沿69104運輸巷底板瓦斯抽放巷掘進方向，每隔4m施工一組穿層抽放鉆孔，鉆孔施工到9#煤層頂板為止。瓦斯抽放半徑為2m，每組鉆孔數為11個，在9#煤層傾斜范圍內所控制寬度為40m。施工完的鉆孔要進行封孔，封孔深度不小于5m，且抽放負壓不小于13KPa。鉆孔設計見圖3所示，參數見表1。

圖3 底抽巷穿層鉆孔設計示意圖

表1 底抽巷穿層鉆孔設計參數表

3 工程應用效果檢驗

在突出危險性區域中掘進煤巷可采用鉆孔瓦斯涌出初速度法，R值指標法和鉆屑指標法及其他經驗證有效的方法預測煤巷工作面的突出危險性［4-6］。本次以鉆孔瓦斯涌出初速度q值法預測突出危險性，它是根據煤巷掘進工作面鉆孔中單位時間內涌出瓦斯的最大流量q以及鉆孔每鉆進1m測定的最大鉆屑量s值，與臨界值作比較，從而檢驗防突效果。

采用上述底抽巷穿層鉆孔預抽后，在運輸巷掘進工作面靠近巷道兩幫0.5m各打一個平行于巷道掘進方向，直徑42mm，深3.5m預測鉆孔；鉆孔每鉆進1m測定該1m段的全部鉆屑量S，并在暫停掘進后2min內測定鉆孔瓦斯涌出初速度q，測定結果見下表2。

根據本煤層試驗考察確定突出危險性指標q、s的臨界值分別為5L/min、6kg/m。根據實測的q值和s值數據，均小于二者的臨界值，且鉆進過程中無噴孔等異常現象，因此判定穿層鉆孔預抽措施有效，消除了運輸巷掘進工作面的突出危險，保證了運輸巷掘進安全。

表2 運輸巷掘進與校檢指標統計表

4 結論

文章通過理論分析和數值模擬的方法，對比分析了運輸巷與底抽巷不同空間位置時，底抽巷的變形破壞特征，得出了底抽巷位于運輸巷下方垂距10m且與運輸巷內錯平距為5m時，底抽巷變形破壞有限，有利于底抽巷的維護，在此基礎了設計了底抽巷穿層鉆孔。通過工程應用與效果驗證，表明了該種底抽巷穿層鉆孔有效地消除了煤巷掘進的突出危險性，保證了煤巷工作面的安全掘進，為本礦及相鄰礦井突出煤層巷道掘進提供了參考和依據。

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