九里山矿16071工作面底抽巷层位选择研究

2022-01-05孟冯超赵高博

能源与环保 2021年12期

李楠，孟冯超，赵高博

(1.河南能源化工集团焦煤公司，河南焦作 454150； 2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000)

煤层开采诱发周围覆岩岩层破坏，覆岩破坏后的裂隙演化伴随着瓦斯的涌出、流动、聚集[1-2]。如何在工作面底板合适的层位布置有效、稳定的底抽巷，是显著提高瓦斯抽采效率的关键措施之一[3-7]。目前，在工作面底板布置底抽巷已经是多数高瓦斯矿区瓦斯综合治理的重要技术手段之一[8-11]，这也是焦作矿区瓦斯综合治理的重要技术手段之一，通过底抽巷向采掘区域施工抽采钻孔，预抽瓦斯来消除采掘范围内的煤与瓦斯突出危险。但是，焦作矿区底抽巷层位选择不一，不同矿井、甚至同一矿井不同地区工作面的底抽巷设计层位均存在一定的差异，造成巷道的支护效果各不相同[12-15]。因此，对焦作矿区底抽巷层位的选择进行深入的分析研究十分紧迫和必要。以焦作矿区九里山16701工作面为工程背景，现场观测得到了工作面底抽巷失稳的过程；并通过FLAC3D数值模拟方法分析了底抽巷受上部工作面回采扰动的影响规律；最终确定了该工作面底抽巷最佳的层位选择。

1 九里山矿16071工作面概况

九里山矿隶属于河南能源化工集团焦煤公司，位于河南省北部，主采二1煤层，煤层平均厚度为7 m，为中灰低硫优质无烟煤，煤层原始瓦斯含量5～42 m3/t，瓦斯压力0.10～3.05 MPa，透气性系数0.11～5.64 m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数0.026 0～0.030 1 d-1。16071工作面位于九里山矿16采区，该工作面的顶底板情况见表1。

表1 16071工作面顶底板情况Tab.1 Roof and floor conditions of 16071 working face

2 工作面底抽巷布置与失稳

2.1 工作面底抽巷布置

16071底抽巷位于九里山矿16采区东翼中部，巷道设计全长850 m，服务年限为3年，采用锚网喷支护方式，巷道断面均为直墙半圆拱，炮掘方式施工巷道净宽为3.6～4.0 m，综掘方式施工巷道净宽为4.0～4.5m，净高为3.2～3.5 m。锚杆普遍选用2.4 m高强锚杆及1.8 m等强锚杆，锚杆预紧扭矩120～200 N·m。16701工作面底抽巷的布置主要分为水平方向上与竖直方向方面。水平方向方面底抽巷与上部工作面煤巷分为内错、正下、外错等多种布置方式，且内错、外错距离2～8 m；垂直方向方面底抽巷距煤层底板最小法线距离原则上一般控制在8～11 m，相对统一。底抽巷布置方式如图1所示。

图1 底抽巷平面、剖面布置示意Fig.1 Plane and section layout of floor drainage roadway

2.2 工作面底抽巷失稳过程

经过现场长期观测，九里山矿16101、16121工作面底抽巷掘进一年后，可明显看出巷道逐步变形直至失修的过程，首先是掘出时间较短的上段巷道逐步出现局部喷体开裂现象，然后发展至中部巷道帮部肩窝错动并逐步外鼓，部分区段顶板也随之逐步下沉，最后掘出时间最长的下段巷道部分区段已变形严重需要扩修。总结归纳九里山矿工作面的底抽巷失稳变形破坏过程主要有4步：喷体开裂、帮部错动外鼓、顶板下沉甚至冒落、整体收敛变形失修，如图2所示。底抽巷的层位选择与支护方式对底抽巷的稳定性有较大影响。本文主要关注底抽巷层位选择对底抽巷稳定性的影响，主要包括垂直方向、水平方向两个方向上的底抽巷层位选择。

图2 底抽巷失稳过程Fig.2 Instability process of floor drainage roadway

3 垂直方向底抽巷层位选择

目前垂直距离上焦作矿区各矿井(包括九里山矿)底抽巷距煤层底板最小法线距离原则上一般控制在8～11 m，相对统一，因为焦作矿区底抽巷在垂直方向上布置受到多种因素制约，具体如下。

(1)防突管理相关规定制约。《防治煤与瓦斯突出规定》第二十一条规定：所有突出煤层外的掘进巷道(包括钻场等)距离突出煤层的最小法向距离小于10 m时(在地质构造破坏带小于20 m时)，必须边探边掘，确保最小法向距离不小于5 m。《焦煤集团一通三防技术管理规定》要求：突出矿井施工顶、底板岩巷期间要严格执行超前探测管理规定，防止误揭构造、误揭煤层诱发煤与瓦斯突出事故。岩巷与煤层间的法线距离不得低于10 m，特殊情况下岩柱厚度低于10 m的，必须报请集团公司批准。未经批准岩柱小于8 m的，将按重大隐患进行责任追究。以上规定明确焦作矿区底抽巷垂直方向上距煤层法线距离不能小于8 m。

(2)底板防治水因素制约。焦作矿区是公认的大水矿区，区内各矿井都存在带压开采问题，在煤层底板下开掘巷道，必然会对底板造成一定破坏，容易引起底板突水事故的发生。要尽量减小工作面与底抽巷的突水危险，就必须保证在采动影响下底板具有足够厚度的隔水层来抵挡底板含水层的水头压力。因此，考虑底板防治水安全，焦作矿区(包括九里山矿)底抽巷在满足防突管理相关规定要求下尽可能向上布置，以减少对底板含水层的影响。

(3)瓦斯治理工程效果制约。底抽巷与煤层距离越远，瓦斯治理穿层钻孔长度越长，钻孔工程量越大，钻孔施工越困难且钻孔误差越大，可能造成钻孔抽采效果越差，因此底抽巷距离煤层距离也应尽可能较小。

(4)理论计算垂直层位。煤层底板在工作面推进过程中会产生塑性破坏区，若底抽巷布置在该塑性破坏区内，则在煤层回采期间底抽巷将极易失稳。基于相关底板滑移线场理论，沿煤层走向方向工作面底板最大破坏深度(hmax)计算公式为[16]：

(1)

式中，α为煤层倾角；k为工作面超前支承压力集中系数；p为承压水压力；H为煤层埋深，φ0为底板岩体平均内摩擦角；c为煤层底板平均黏聚力；λ为采空区底板垮落碎胀系数；γ为采场底板岩层容重；M为煤层厚度；β=arccos(cosαsinφ0-sinα)。

根据九里山矿16071工作面实际地质情况，代入式(1)得到煤层最大底板破坏深度计算结果与上述分析相近，约为11 m。

综上所述，九里山矿底抽巷受防突管理规定及底板防治水安全因素制约，并且为了尽可能减小区域瓦斯治理工程难度，提高预抽瓦斯效果，九里山矿底抽巷在垂直方向选择余地不大。

4 水平方向底抽巷位置选择

在水平方向上，焦作矿区不同矿井、甚至同一矿井不同地区底抽巷的位置选择存在多种方式。底抽巷与上部工作面巷道存在内错、正下、外错等多种布置方式。为研究底抽巷受上部工作面回采扰动的影响规律，选取合理的水平方向巷道位置，以九里山矿地质条件为背景，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟计算。

4.1 模型建立

以九里山矿16071工作面地质条件为背景建立模型，主要研究工作面开采后对不同位置的底抽巷影响程度，本次数值模拟主要针对5种不同的相对位置：①底抽巷在工作面巷道正下方；②底抽巷向工作面内错5 m；③底抽巷向工作面内错8 m；④底抽巷向工作面外错5 m；⑤底抽巷向工作面外错8 m。

本次建立的数值模型长为200 m，宽为10 m，高为60 m，采用施加应力的方法代替上覆岩层自重。其中模型中底抽巷距煤层的垂向距离为11 m，底抽巷布置在底板粉砂岩中，为直墙半圆拱形。本次模拟采厚为4 m，模型共87 800个单元，99 209个节点，模型整体按计算区域的重要程度来调整网格单元的疏密，工作面达到初始平衡后开挖底抽巷。模型前后和左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零；模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移为零；模型顶部为自由边界，将上覆岩层自重等效为均布荷载施加在模型上边界。其中底抽巷内错工作面8 m的模型如图3所示。

图3 底抽巷内错工作面8 m模型Fig.3 8 m model drawing of inner staggered working face in bottom pumping roadway

根据九里山矿16071工作面围岩物理力学性质实验结果进行适当折减，得到此次数值模拟的具体参数见表2。

表2 模型中围岩物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock in the model

4.2 模拟结果及分析

根据上述模拟方案依次进行数值模拟分析，得到不同方案条件下16701工作面顶板、底抽巷塑性区，用于揭示该工作面顶板、底抽巷的失稳情况。不同模拟方案下工作面回采后顶板、底抽巷塑性破坏区域分布图如图4所示。

图4 不同模拟方案下顶板、底抽巷塑性破坏区域分布Fig.4 Distribution of plastic failure area of roof and floor drainage roadway under different simulation schemes

(1)当底抽巷内错工作面5 m和8 m时(图4(a)、图4(b))，底板的塑性破坏最大处位于煤柱的下方，以剪切破坏为主，采空区正下方塑性破坏深度较浅，未发展到底抽巷位置处，巷道整体处于应力释放区域内，围岩未因上方工作面的回采发生塑性破坏。

(2)当底抽巷位于工作面巷道正下方时(图4(c))，巷道围岩出现塑性破坏，主要位于巷道拱顶和底角，拱顶以张拉破坏为主，底角以剪切破坏为主，破坏区域未与煤柱下方塑性破坏区域相连通，此情况下巷道顶板出现下沉。

(3)底抽巷外错工作面5 m时(图4(d))，巷道围岩塑性破坏区域进一步扩大，整个拱顶和底板整体发生破坏，拱顶仍以张拉破坏为主，底板以剪切破坏为主，体现为现场顶板下沉、底板底鼓，进一步增大支护难度。

(4)底抽巷外错工作面8 m时(图4(e))，巷道浅部围岩全部发生塑性破坏，且进一步向深部围岩扩展，工作面煤柱下方塑性破坏区域与巷道围岩塑性破坏区域连通，支护难度较大。

为进一步分析工作面开采后底板岩层与工作面底抽巷失稳情况，着重分析底抽巷塑性区情况，底抽巷内错、外错工作面如图5、图6所示。

图5 底抽巷内错工作面Fig.5 Inner staggered working face of floor drainage roadway

图6 底抽巷外错工作面Fig.6 Working face with floor drainage roadway staggered outside

由图5可知，当底抽巷内错布置时，底抽巷均没有出现塑性区；由图6可知，当底抽巷布置在工作面巷道正下方或者外错布置时，底抽巷均出现了不同程度的塑性变形。对上述塑性破坏计算结果综合分析，不主张底抽巷布置在工作面外错位置，应布置在工作面内错位置，但内错距离较大时增大了巷道服务下个工作面时施工抽采钻孔的难度。

根据上述数值模拟结果得到九里山矿16071工作面底抽巷在垂直方向与水平方向上最佳层位选择为：底抽巷距煤层底板的垂向距离为11 m；水平方向上内错工作面巷道5 m。

5 现场工业性试验

5.1 九里山矿16071底抽巷概况

16071底抽巷位于九里山矿16采区东翼中部，巷道设计全长850 m，该巷外段0～630 m净宽B=4.0 m，h=1.4 m，净高H=3.4 m，采用综掘方式掘进，巷道普遍出现变形及底鼓现象，局部区段变形失修严重甚至出现顶板小范围垮落。该巷道掘进过程中揭露L9灰岩，根据层位关系显示，L9灰岩可作为保证留设规定岩柱厚度的标示层。L9灰岩平均厚度0.7 m，深灰色，块状，夹方解石细脉。L9灰岩顶部粉砂岩厚度11.1 m左右，灰黑色，层状，含植物叶部化石；底部粉砂岩厚度10.6 m左右，灰黑色，中厚层状，致密，见白云母碎片。

5.2 16071底抽巷里段支护设计

16071底抽巷支护选用锚网索喷+注浆的支护方式，巷道采用直墙半圆拱断面，断面规格为4.4 m(宽)×3.4 m(高)。

锚杆选用无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，规格为φ20 mm×2 400 mm，除底脚锚杆外，其他锚杆间排距为800 mm×800 mm；顶板打设点锚索补强支护，顶板点锚索规格为φ17.8 mm×6 300 mm，间排距均为1 600 mm，每排3根；帮部打设短锚索加强支护，帮部短锚索规格为φ17.8 mm×4 300 mm，间排距为1 400 mm×1 600 mm，1排4根(每侧帮部2根)；钢筋网用φ6 mm圆钢筋焊接而成，规格为2.0 m×1.0 m，网片搭接长度不小于100 mm，连网每间隔不大于2格用14号铅丝双股双排绑扎，铅丝必须旋拧不得少于3圈。在锚网后喷射一次混凝土封闭巷道，喷射混凝土厚度20～50 mm(封闭巷道)。

5.3 矿压观测及支护效果验证

此次在16071底抽巷试验段共建立5个测点，分别位于通尺650、680、710、750、810 m。其中，通尺650、680 m为低预紧力锚网索+喷浆+注浆段；通尺710 m为高预紧力锚网索+喷浆+注浆段，通尺750、810 m为高预紧力锚网索+帮锚索+喷浆+注浆段。经过近6个月的观测，观测数据统计分析见表3。

表3 16071底抽巷测点变形量统计Tab.3 Deformation statistics of measuring points in 16071 floor drainage roadway

通过以上考察可看出，九里山矿16071底抽巷采用高预紧力锚网索+喷浆+注浆方式支护取得了良好的支护效果。此种联合支护方式通过高预紧力锚网索支护及增加帮部短锚索，提高了巷道主动锚网支护的强度，通过喷浆封闭避免了巷道围岩风化破坏，通过壁后注浆加固提高了巷道围岩的整体性，虽然巷道断面由原设计4.0 m增大到4.4 m，但巷道顶帮围岩变形量相比原设计巷道变形量有了极大的减小。