塔山煤礦高抽巷布置層位及支護研究與應用

高貴寶

(晉能控股煤業集團 挖金灣煤業公司,山西 大同 037000)

1 工程概況

塔山煤礦3-5號層二盤區8222工作面位于二盤區西南部,東北為2222巷,西南為5222巷,東南以二盤區輔運巷為界,北西至鐵路村莊及工業廣場保護煤柱,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2 907 m.3-5號煤層直接頂巖性自下而上為砂質泥巖、炭質泥巖、泥巖下部局部夾有粉砂巖、含泥質條帶,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.為保障高抽巷對于工作面瓦斯的治理效果同時確保其圍巖穩定性展開相關研究。

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定性及支護難度。煤層開采后,將不可避免地引起上覆巖層垮落、破斷、彎曲下沉,采空區覆巖結構如圖1所示,若將高抽巷布置在冒落帶內,高抽巷將隨采空區頂板巖層的冒落而破壞,導致對于采空區瓦斯抽采效果差;若將高抽巷布置在彎曲下沉帶內,與煤層及采空區垂直距離過大,且帶內巖層完整性較好、透氣性差,雖然巷道圍巖受到工作面采動影響可能較小,但是容易抽不出瓦斯;若將高抽巷布置在覆巖裂隙帶內,煤層及采空區內瓦斯經過采動卸壓影響后可流入高抽巷,且巷道圍巖受采動影響也較小,因此高抽巷豎直方向應布置在覆巖裂隙帶內。綜放工作面裂隙帶發育高度可采用經驗公式進行估算,根據塔山煤礦8222回采工作面頂板巖層,確定其冒落帶高度經驗公式[1]:

(1)

裂隙帶高度經驗公式:

(2)

塔山煤礦8222工作面煤層總厚度約14.36 m,計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.根據高抽巷抽采理論可知[2-3],高抽巷與上隅角距離愈小對于上隅角瓦斯治理效果越好,但是回風巷附近煤巖體由于應力集中、采動影響,附近煤層和巖層已較松軟,若距回風巷過近,將存在抽采系統漏風的風險,結合相關實踐研究成果,高抽巷與回風巷的水平距離不應小于15 m,而采空區中部將形成重新壓實區,采空區瓦斯向上滲透性較差,高抽巷與回風巷距離不應大于工作面長度的三分之一,因此確定高抽巷與回風巷水平間距合理范圍為15～40 m.

圖1 覆巖采動三帶煤層傾向形態示意

3 高抽巷合理層位模擬研究

結合分析結果可知,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,為進一步確定高抽巷布置的最佳層位,依據塔山煤礦8222工作面實際條件,采用FLAC3D軟件建立數值計算模型[4],模擬研究無支護條件下,高抽巷布置在不同位置時圍巖內應力分布及表面位移,共設計6種布置方案,與煤層頂板垂直距離H(30～40 m),與回風巷水平距離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.分別對各方案進行模擬分析,得到圍巖內垂直應力分布及表面變形量模擬結果,如圖2所示。

圖2 數值模擬研究結果

圖2(a)所示結果為巷道兩幫腰線處由表面至深處20 m垂直應力變化規律,可以看出:幫部煤巖體內垂直應力隨深度的變化規律為先增大后減小并趨于穩定,其中方案1和方案4條件下,高抽巷幫部垂直應力峰值遠大于其余方案,不利于高抽巷的長期穩定,由此說明,高抽巷與回風巷的水平距離不應小于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果,可以看出:高抽巷垂直方向布置在同一層位時,水平方向越遠,離回風巷表面變形量越大,如方案3和方案6,巷道整體下沉量達到800～950 mm,由此確定巷道距回風巷的水平距離為30 m,排除方案3和方案6.方案2與方案5對比發現,圍巖內垂直應力及表面變形量差異不大,考慮到巷道掘進成本、瓦斯抽采效果等因素,確定高抽巷最優布置方案為方案2(H=30 m,S=30 m)。

4 頂板高抽巷圍巖控制技術

根據前面研究結果及8222工作面頂底板巖層特征可知,高抽巷布置在距煤層頂板30 m的砂質泥巖中。結合塔山煤礦巖巷支護經驗,設計采用錨網索聯合支護方式,錨桿規格MSGLW500/22×2 400 mm,錨索采用Φ18.9 mm×5 300 mm 的鋼絞線,為確保支護方案的合理性,采用FLAC3D軟件進行高抽巷開挖支護的模擬分析,巷道斷面寬×高=5.0 m×3.0 m.設計錨桿布置方式為: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錨索、“111”、“121”、“222”.得到其表面位移量的分析結果如圖3所示,可以看出:錨桿采用方案1布置時,頂板下沉量、底板底鼓量、左幫移近量均為3個方案中的較大值,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于無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,考慮經濟效益、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律

5 工程實踐及效果監測

5.1 高抽巷支護方案

結合前面數值模擬結果,塔山煤礦8222高抽巷布置在距離煤層頂板30 m的砂質泥巖巖層內,與回風巷平距30 m,掘巷期間采用錨網索支護,巷道掘進斷面寬×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和讓壓管,每根錨桿的預緊力不小于300 N·m,頂板錨索采用1×7 股高強度預應力鋼絞線,預緊力不小于200 kN,錨索間排距為2.7 m×1.1 m,采用“121”布置方式,具體支護形式如圖4所示。

圖4 8222高抽巷支護示意(單位:mm)

5.2 應用效果分析

高抽巷掘進施工完成后進行密閉處理,因此僅能通過掘巷階段的礦壓顯現特征驗證其支護效果,掘巷階段采用測桿、鋼卷尺、深基點位移計對巷道表面變形量及頂板離層量進行定期監測,得到高抽巷表面變形量、頂板離層量隨時間的變化規律,如圖5所示。掘巷支護完成10 d內,表面變形量迅速增大;當掘巷兩周后,圍巖基本穩定,表面變形量不再變化,頂底板移近量169 mm,兩幫移近量119 mm,巷道圍巖變形量在預計范圍內;頂板離層量也在掘巷兩周后趨于穩定,錨桿錨固區內最大離層值約為55 mm,錨固區外離層值為33 mm,總離層值為88 mm,各區段離層值均在錨桿、錨索容許的延伸范圍內,說明支護系統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律

6 結 語

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

2) 通過數值模擬分析確定,當高抽巷布置在距煤層頂板30 m、與回風巷平距30 m處,圍巖內垂直應力集中程度、表面變形量均相對較小,采用錨網索支護方式,錨桿合理布置方式為“四六四”,錨索合理布置方式為“121”。

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