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(tuán) 焦煤公司，河南 焦作 454150； 2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)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(dòng)、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(guān)鍵措施之一[3-7]。目前，在工作面底板布置底抽巷已經(jīng)是多數(shù)高瓦斯礦區(qū)瓦斯綜合治理的重要技術(shù)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(shù)手段之一，通過底抽巷向采掘區(qū)域施工抽采鉆孔，預(yù)抽瓦斯來消除采掘范圍內(nèi)的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。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(shè)計(jì)層位均存在一定的差異，造成巷道的支護(hù)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(jìn)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(dòng)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(tuán)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(zhì)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(shè)計(jì)全長850 m，服務(wù)年限為3年，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)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(qiáng)錨桿及1.8 m等強(qiáng)錨桿，錨桿預(yù)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(nèi)錯(cuò)、正下、外錯(cuò)等多種布置方式，且內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)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(jīng)過現(xiàn)場長期觀測，九里山礦16101、16121工作面底抽巷掘進(jìn)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(shí)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(cuò)動(dòng)并逐步外鼓，部分區(qū)段頂板也隨之逐步下沉，最后掘出時(shí)間最長的下段巷道部分區(qū)段已變形嚴(yán)重需要擴(kuò)修。總結(jié)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(cuò)動(dòng)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(hù)方式對底抽巷的穩(wěn)定性有較大影響。本文主要關(guān)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(gè)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?yàn)榻棺鞯V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(guān)規(guī)定制約。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第二十一條規(guī)定：所有突出煤層外的掘進(jìn)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(shí)(在地質(zhì)構(gòu)造破壞帶小于20 m時(shí))，必須邊探邊掘，確保最小法向距離不小于5 m。《焦煤集團(tuán)一通三防技術(shù)管理規(guī)定》要求：突出礦井施工頂、底板巖巷期間要嚴(yán)格執(zhí)行超前探測管理規(guī)定，防止誤揭構(gòu)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(bào)請集團(tuán)公司批準(zhǔn)。未經(jīng)批準(zhǔn)巖柱小于8 m的，將按重大隱患進(jìn)行責(zé)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(rèn)的大水礦區(qū)，區(qū)內(nèi)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(huì)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(xiǎn)，就必須保證在采動(dòng)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(guān)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(yuǎn)，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(yīng)盡可能較小。

(4)理論計(jì)算垂直層位。煤層底板在工作面推進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生塑性破壞區(qū)，若底抽巷布置在該塑性破壞區(qū)內(nèi)，則在煤層回采期間底抽巷將極易失穩(wěn)。基于相關(guān)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(jì)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(nèi)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(shí)際地質(zhì)情況，代入式(1)得到煤層最大底板破壞深度計(jì)算結(jié)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(yù)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(nèi)錯(cuò)、正下、外錯(cuò)等多種布置方式。為研究底抽巷受上部工作面回采擾動(dòng)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(zhì)條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.1 模型建立

以九里山礦16071工作面地質(zhì)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(nèi)錯(cuò)5 m；③底抽巷向工作面內(nèi)錯(cuò)8 m；④底抽巷向工作面外錯(cuò)5 m；⑤底抽巷向工作面外錯(cuò)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(yīng)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(gè)單元，99 209個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型整體按計(jì)算區(qū)域的重要程度來調(diào)整網(wǎng)格單元的疏密，工作面達(dá)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(nèi)錯(cuò)工作面8 m的模型如圖3所示。

圖3 底抽巷內(nèi)錯(cuò)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(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)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(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock in the model

4.2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述模擬方案依次進(jìn)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(dāng)?shù)壮橄飪?nèi)錯(cuò)工作面5 m和8 m時(shí)(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(yīng)力釋放區(qū)域內(nèi)，圍巖未因上方工作面的回采發(fā)生塑性破壞。

(2)當(dāng)?shù)壮橄镂挥诠ぷ髅嫦锏勒路綍r(shí)(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(cuò)工作面5 m時(shí)(圖4(d))，巷道圍巖塑性破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，整個(gè)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(jìn)一步增大支護(hù)難度。

(4)底抽巷外錯(cuò)工作面8 m時(shí)(圖4(e))，巷道淺部圍巖全部發(fā)生塑性破壞，且進(jìn)一步向深部圍巖擴(kuò)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(hù)難度較大。

為進(jìn)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(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)工作面如圖5、圖6所示。

圖5 底抽巷內(nèi)錯(cuò)工作面Fig.5 Inner staggered working face of floor drainage roadway

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

由圖5可知，當(dāng)?shù)壮橄飪?nèi)錯(cuò)布置時(shí)，底抽巷均沒有出現(xiàn)塑性區(qū)；由圖6可知，當(dāng)?shù)壮橄锊贾迷诠ぷ髅嫦锏勒路交蛘咄忮e(cuò)布置時(shí)，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(jì)算結(jié)果綜合分析，不主張底抽巷布置在工作面外錯(cuò)位置，應(yīng)布置在工作面內(nèi)錯(cuò)位置，但內(nèi)錯(cuò)距離較大時(shí)增大了巷道服務(wù)下個(gè)工作面時(shí)施工抽采鉆孔的難度。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)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(nèi)錯(cuò)工作面巷道5 m。

5 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

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(shè)計(jì)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(jìn)，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(yán)重甚至出現(xiàn)頂板小范圍垮落。該巷道掘進(jìn)過程中揭露L9灰?guī)r，根據(jù)層位關(guān)系顯示，L9灰?guī)r可作為保證留設(shè)規(guī)定巖柱厚度的標(biāo)示層。L9灰?guī)r平均厚度0.7 m，深灰色，塊狀，夾方解石細(xì)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(hù)設(shè)計(jì)

16071底抽巷支護(hù)選用錨網(wǎng)索噴+注漿的支護(hù)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(qiáng)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(shè)點(diǎn)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，頂板點(diǎn)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(shè)短錨索加強(qiáng)支護(hù)，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(cè)幫部2根)；鋼筋網(wǎng)用φ6 mm圓鋼筋焊接而成，規(guī)格為2.0 m×1.0 m，網(wǎng)片搭接長度不小于100 mm，連網(wǎng)每間隔不大于2格用14號(hào)鉛絲雙股雙排綁扎，鉛絲必須旋擰不得少于3圈。在錨網(wǎng)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(hù)效果驗(yàn)證

此次在16071底抽巷試驗(yàn)段共建立5個(gè)測點(diǎn)，分別位于通尺650、680、710、750、810 m。其中，通尺650、680 m為低預(yù)緊力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿段；通尺710 m為高預(yù)緊力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿段，通尺750、810 m為高預(yù)緊力錨網(wǎng)索+幫錨索+噴漿+注漿段。經(jīng)過近6個(gè)月的觀測，觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見表3。

表3 16071底抽巷測點(diǎn)變形量統(tǒng)計(jì)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(yù)緊力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿方式支護(hù)取得了良好的支護(hù)效果。此種聯(lián)合支護(hù)方式通過高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)及增加幫部短錨索，提高了巷道主動(dòng)錨網(wǎng)支護(hù)的強(qiáng)度，通過噴漿封閉避免了巷道圍巖風(fēng)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(shè)計(jì)4.0 m增大到4.4 m，但巷道頂幫圍巖變形量相比原設(shè)計(jì)巷道變形量有了極大的減小。

6 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場觀測總結(jié)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(cuò)動(dòng)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(dòng)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(nèi)錯(cuò)工作面巷道5 m。