高瓦斯礦頂板高抽巷優化布置與支護技術研究

張 瑞，趙海衛

(山西煤炭運銷集團 壽陽亨元煤業有限公司，山西 壽陽 045400)

高瓦斯礦井的煤炭產量與瓦斯產量呈正比關系，由于瓦斯量增加而引發的煤礦安全生產問題日益增多，成為影響高瓦斯礦井高產高效的一個瓶頸。面對該問題，通過在頂板布置高抽巷能夠對工作面瓦斯進行采前預抽以及采后抽放采空區瓦斯。為了取得良好的瓦斯抽放效果，必須確保高抽巷圍巖穩定，即必須選擇合理的巷道布置與支護方式。

某礦是設計生產能力為800 萬t/年的現代化特大型礦井，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行抽采治理的情況較少，對于頂板高抽巷的科學布置與支護方式研究不多。本文以該礦N1202綜放工作面地質與生產條件為基礎，通過理論分析與數值模擬相結合的研究方法，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，并提出相應頂板高抽巷的合理支護技術。

1 煤層瓦斯運移規律及高抽巷布置原則

頂板高抽巷需滿足多項功能需求，先要將回風順槽及工作面未開采前的瓦斯作預抽處理，還要將聚集于采空區的瓦斯進行全部抽取。該巷道圍巖除了受自身掘進影響外，還受到鄰近回風順槽掘進及本工作面回采超前支承壓力的影響，且巷道的服務時間長，因此加大了巷道維護難度[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發生很大變化，由初始吸附狀態演變為自由狀態，并傳播至煤體裂縫中。工作面回采之后，因采空區位于應力釋放區，卸壓難度系數提高，瓦斯向采空區轉移。2) 因進風巷的風壓明顯高于回風巷風壓，聚集在采空區域的瓦斯就會隨風漂流到回風巷側。3) 因瓦斯密度明顯低于空氣密度，瓦斯保持向上的狀態運動，距離回風側越近其上空的瓦斯濃度越大。因此，煤層傾向區域瓦斯濃度會不斷增高，最終通過工作面上隅角的頂板裂縫擴散至O型圈中。對高瓦斯礦井來說，瓦斯聚集量最高的區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O型圈可將煤體與采空區析出的瓦斯存儲。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。由于回風順槽瓦斯濃度高于進風順槽，選擇高抽巷偏向回風順槽裂縫帶O型圈周圍(未壓實區域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及距回風順槽的水平距離S兩個參數決定[4]. 由分析可知，高抽巷應布置于裂隙帶內，即H取值30～50 m；水平距離S需確保高抽巷位于未壓實區，最遠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—回風順槽側O型圈內。2) 高抽巷應布置在采動裂隙帶最大發育高度內。3) 選擇合理的支護技術確保高抽巷圍巖的穩定性，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；考慮工作面采動對高抽巷的影響，且其服務時間較長，因此布置高抽巷時應選擇有利于巷道整體穩定的應力減弱區。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型圈周圍與應力減弱區兩個條件。

通過多個數值模擬方案對高抽巷不同位置穩定性進行模擬研究與分析，最終根據巷道圍巖的變形破壞及應力環境選出最優的高抽巷布置位置。

基于該礦N1202綜放工作面地質生產條件，采用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬分析。對參數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

通過數值分析得出，處于不同位置的高抽巷在自身掘進階段，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的變形特征及應力分布情況，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力分布模擬結果圖

高抽巷在頂板的布置位置不同時，各個方案的應力峰值分別為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順槽水平距離10 m，垂直應力集中程度明顯，應力集中系數分別為2.2與1.17，其原因是巷道布置地點與煤柱相距較近，巷道圍巖位于側向支承壓力快速增加區；當水平距離為30 m、50 m時，高抽巷位于采空區覆巖卸壓區，巷道圍巖應力水平低，其峰值甚至比掘進時期的應力峰值低。高抽巷兩幫的圍巖應力分布與巷道中軸線不對稱，呈“一高一低”分布形態，應力峰值大小也不同，峰值位置距巷道表面4～8 m. 隨著遠離巷道表面，應力等值線分布由稠密到稀疏，表明應力變化幅度劇烈。高抽巷頂底板變形量及整體平均下沉量見表2.

表2 高抽巷頂底板變形量及整體平均下沉量表

分析表2高抽巷下沉量可知，與回風順槽之間的距離越大，即距采空區中部越近，高抽巷總體下沉量就越大。當與回風順槽距離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，甚至導致高抽巷崩塌。

高抽巷的整體下沉量與頂底板變形量隨著與回風順槽距離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力環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力環境考慮，為確保其在回采期間圍巖穩定以滿足對瓦斯抽放的要求，巷道的合理布置位置應處于采空區覆巖的應力卸壓空間區域，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指標分析，為防止高抽巷因工作面采動前與采動后形狀發生變化造成頂底板呈臺階狀下沉，斷定方案3和方案6也不符合要求。因此，根據上述數值模擬分析得出，高抽巷較為合理的布置位置應為方案 2 或方案 5.

從巷道應力情況與圍巖變形量考慮，雖然方案2與方案 5都能滿足生產要求，但對比方案5和方案2進一步得出，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打設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 高抽巷支護方式及圍巖控制效果分析

3.1 高抽巷支護參數確定

巷道圍巖穩定不僅取決于圍巖本身結構的完整性，很大程度上也受其所處應力環境影響。為確保巷道圍巖穩定以滿足礦井正常生產要求，應將巷道布置在應力降低的環境中，并對巷道圍巖施加合理的支護形式[5].

通過上述數值模擬分析，確定了頂板高抽巷的最優布置位置，明確了高抽巷圍巖的應力環境及其變形情況。由于高抽巷布置在頂板巖層的裂隙帶內，巷道圍巖中存在多種易滑動、易斷裂的不連續弱面，這必然會造成圍巖整體強度降低，采動作用產生的動壓影響會對不實結構面造成很大破損，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定性，需采取有效措施來強化支護力度。

基于理論研究，數值模擬分析確定的高抽巷支護參數為：

頂板支護：采用錨桿+錨索+矩形金屬網+雙鋼筋托梁支護頂板。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.其中錨桿安裝預緊扭矩大于300 N·m，錨固力大于200 kN；錨索張拉預緊力大于200 kN，錨固力大于400 kN.

兩幫支護：按照錨桿加矩形金屬網加單鋼筋托梁的方式對兩幫進行支護，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，監測記錄巷道圍巖表面位移量及頂板巖層離層量，根據監測結果繪制的高抽巷掘進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，圍巖變形量達到其最終變形量的1/2，7天之后巷道圍巖變形量緩慢增加，掘進12天后變形基本趨于穩定。最后，頂底板與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

頂板錨固區內淺基點和錨固區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、穩定離層期。在第一時期內即大約掘進后5天內，頂板在短時間內快速下沉，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12天后，頂板離層保持平穩。頂板離層通常出現于錨固區內，錨固區外離層量非常小，表明錨桿支護可合理控制頂板離層，避免錨固區內巖體破壞變形。

參 考 文 獻

[1] 熊禮軍,程學華,査文華. 復雜地質條件下回采巷道分區動態加固支護技術研究[J].煤炭工程,2015,47(01)：40-43.

[2] 唐興春. 堅硬頂板工作面上隅角瓦斯集聚原因分析及治理技術[J].內蒙古煤炭經濟,2015(03)：138-139.

[3] 萬明亮. 東曲煤礦綜采工作面上隅角瓦斯治理研究[J].山西焦煤科技,2012,36(11)：46-47+50.

[4] 王 遷，張科學，楊建雄，等. 頂板走向高抽巷合理位置研究[J].煤炭技術,2017,36(03)：41-43.

[5] 馬衛波. 余吾煤業頂板高抽巷合理布置與支護技術研究[D].北京：中國礦業大學,2014.