興峪煤業(yè)15502 低位抽放巷布置層位及支護(hù)技術(shù)研究

武潤虎

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)興峪公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽煤集團(tuán)興峪煤礦現(xiàn)階段主采15#煤層。15#煤層為簡單結(jié)構(gòu)煤層，傾角0°～15°，平均3°，煤層平均厚6.0 m，一般含矸2 層，煤層中下部夾石厚度為0.1 m，下部夾石厚度0.01 m，瓦斯含量11.3 m3/t。15502 工作面埋深334～438 m，東部為五采區(qū)大巷，西部距礦界相距20 m與坤寧煤礦相鄰（實(shí)體煤田），北部為15503 工作面（已采），南部為15501 工作面（實(shí)體煤田）。15#煤基本頂為K2 灰色石灰?guī)r，直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，基本底為K2灰色石灰?guī)r，頂?shù)装鍘r層具體情況詳見表1。為徹底解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，在15502 工作面實(shí)行“一進(jìn)一回+低位抽放巷”的巷道布置方式。15#煤15502 工作面低位抽放巷是服務(wù)于15502 綜采放頂煤工作面的回風(fēng)及專用排瓦斯巷，巷道需承擔(dān)工作面采前預(yù)抽與采后抽放采空區(qū)瓦斯的雙重任務(wù)。為保障其掘巷階段及后期應(yīng)用期間的圍巖穩(wěn)定性，對其合理層位及支護(hù)方式展開研究。

表1 15#煤頂?shù)装鍘r性特征

2 低位抽放巷布置層位分析

煤與瓦斯礦井按照防突規(guī)范要求，巖巷掘進(jìn)期間與煤層間的垂直距離不應(yīng)小于5 m，低位抽放巷與煤層間距越大，對于上隅角瓦斯?jié)舛鹊目刂菩Ч饺?，而巷道與煤層間距越小，對于下行抽放鉆孔的施工越有利。綜合考慮低位抽放巷的施工、安全、抽放效果等因素，確定低位抽放巷與煤層頂面的垂直合理范圍為5～9 m，如圖1 中所示灰色區(qū)域。當(dāng)?shù)臀怀榉畔锊贾迷趫D1 所示的灰色區(qū)域時(shí)，其與回風(fēng)巷的水平距離的合理范圍可采用下式進(jìn)行計(jì)算[1]：

圖1 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面破壞情況圖（m）

式中：Hg為低位抽放巷底板與煤層頂面的垂直距離，取5～9 m；L0為采空區(qū)內(nèi)“O”型圈寬度，取20 m；Lg為低位抽放巷寬度，取4.5 m；54°為采空區(qū)頂板回采側(cè)破斷角。將上述參數(shù)代入式（1）計(jì)算可得，低位抽放巷與回風(fēng)巷的水平距離取值范圍2.77～22.04 m。結(jié)合15502 工作面頂板巖層厚度、巖性等特征，設(shè)計(jì)將15502 工作面低位抽放巷布置在15#煤上部黑色泥巖中，以第一節(jié)石灰?guī)r為頂板向西掘進(jìn)，距15#煤層6.8 m，巷道頂板為K2 石灰?guī)r，兩幫為泥巖，與回風(fēng)巷的水平距離取10 m。

3 低位抽放巷圍巖控制技術(shù)研究

3.1 圍巖破壞范圍理論分析

15502 低位抽放巷圍巖為Ⅱ類，圍巖地質(zhì)條件良好，因此設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。首先，通過理論分析確定巷道存在潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)圍巖的范圍，采用自然平衡拱理論分析頂板存在冒落風(fēng)險(xiǎn)巖層的厚度，其理論分析模型如圖2。巷道頂板巖層冒落高度c和兩幫巖層破壞深度b計(jì)算公式[2-3]：

圖2 圍巖破壞范圍理論分析模型

式中：kc為應(yīng)力集中系數(shù)，取5.0；f為巖層普氏系數(shù)，石灰?guī)rf=8，泥巖f=2.5；γ為頂板巖層的容重，取2.5×103kg/m3；φ為內(nèi)摩擦角，石灰?guī)r取30°；Bc為影響系數(shù)，取2.0；h為巷道高度，取3.0 m；H埋深為410 m；a巷道寬度為5.0 m。通過上式計(jì)算可得，巷道頂板存在冒落風(fēng)險(xiǎn)巖層的高度c=0.49 m，兩幫圍巖破壞深度b=1.19 m。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬驗(yàn)證

結(jié)合上述理論分析計(jì)算結(jié)果，參考興峪煤業(yè)回采巷道現(xiàn)有支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)頂板及兩幫錨桿規(guī)格為Ф20 mm×L2000 mm，頂板錨索規(guī)格Ф18.9 mm×L5300 mm，能夠滿足頂板及兩幫支護(hù)需要。為確保15502 低位抽放巷滿足在工作面回采期間的使用斷面要求，應(yīng)用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型[4]，研究錨桿、錨索布置參數(shù)對巷道變形量的影響。錨桿布置方案：1）頂板支護(hù)每排5 根錨桿，間排距1.1 m，兩幫每排各4 根，間距0.8 m，排距同頂板錨桿；2）頂板支護(hù)每排6 根錨桿，間距0.9 m，排距1.0 m，兩幫每排各3 根，間距1.2 m，排距同頂板錨桿；3）頂板支護(hù)每排6 根錨桿，間距0.9 m，排距1.1 m，兩幫每排各4 根，間距0.8 m，排距同頂板錨桿。通過數(shù)值模擬研究得到，15502 工作面回采期間，15502 低位抽放巷表面變形量變化規(guī)律如圖3（a）所示。確定巷道錨桿布置參數(shù)后，進(jìn)行頂板錨索布置參數(shù)的研究，設(shè)計(jì)錨索布置方案為“111”“121”“222”三種，整理得到巷道表面變形量的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3（b）所示。根據(jù)圖3（a）可以看出，錨桿布置采用方案3 時(shí)，巷道表面變形量均較小，錨桿支護(hù)密度也相對適中，對圍巖控制效果良好，因此確定錨桿采用方案3 布置方式；由圖3（b）可以看出，增加錨索支護(hù)后巷道頂板下沉量大幅度減小，錨索布置方式由“111”變化為“121”后，頂板下沉量由197 mm 減小為157 mm，減小幅度為20.3%，底板底鼓、兩幫外鼓量也同樣明顯減小，支護(hù)效果提升明顯；錨索布置方式由“121”變化為“222”后，巷道表面變形量無明顯差異，表明繼續(xù)增大錨索安裝密度對于圍巖穩(wěn)定性影響不大。因此確定頂板錨索布置方案為“121”。

圖3 錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)對圍巖變形量影響規(guī)律

3.3 15502 低位抽放巷支護(hù)方案

結(jié)合上述研究成果，設(shè)計(jì)15502 低位抽放巷支護(hù)詳情：頂板采用Ф20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，角錨桿向外側(cè)傾斜20°，間排距0.9 m×1.1 m，配套使用110 mm×110 mm×10 mm 蝶形托板，減磨墊及半球墊，使用CKb2335、K2360 錨固劑各一支，錨固劑長度不小于900 mm，預(yù)緊力40 kN。錨索規(guī)格Ф18.9 mm×5300 mm，使用CKb2335 錨固劑一支和K2360 錨固劑兩支，預(yù)緊力200 kN。幫錨桿規(guī)格與頂板相同，間排距為0.8 m×1.1 m，使用K2360 錨固劑一支，錨固劑長度不小于600 mm。巷道頂、幫網(wǎng)必須布置均勻，網(wǎng)片搭接距離100 mm，鏈網(wǎng)絲間距為200 mm，鏈網(wǎng)時(shí)采用14#鐵絲對折成雙股，雙絲雙扣，綁扎牢固，擰結(jié)量不得少于3 圈。15502 低位抽放巷支護(hù)如圖4。

圖4 15502 低位抽放巷支護(hù)詳情（mm）

4 巷道礦壓觀測結(jié)果及分析

為保障15502 低位抽放巷圍巖穩(wěn)定，在掘巷階段進(jìn)行礦壓綜合監(jiān)測，正常條件下布站間距100 m/組，整理得到掘巷初期巷道表面變形量、錨桿、錨索受力變化曲線如圖5。在掘巷支護(hù)約12 d 后，巷道表面位移量不再增大，頂?shù)装逡平繛?3 mm，兩幫移近量為58 mm，表面變形量在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，為巷道在后續(xù)工作面生產(chǎn)期間發(fā)揮作用提供可靠保障；頂板和兩幫錨桿的初始預(yù)緊力約為31.5 kN，掘巷約20 d 后錨桿載荷已穩(wěn)定，頂錨桿和幫錨桿載荷為96 kN、82 kN，支護(hù)所用錨桿的屈服荷載約為200 kN，錨桿支護(hù)載荷保有較大的富余系數(shù)，能夠保障低位抽放巷服務(wù)期間的圍巖穩(wěn)定。

圖5 礦壓跟蹤監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

以興峪煤業(yè)15502 低位抽放巷實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)，通過理論分析計(jì)算、數(shù)值模擬、礦壓監(jiān)測等手段，研究低位抽放巷的合理布置層位和支護(hù)參數(shù)。主要成果：低位抽放巷布置在距煤層頂面6.8 m 的泥巖中，與回風(fēng)巷水平距離為10 m，巷道頂板存在潛在冒落風(fēng)險(xiǎn)巖層的高度為0.58 m，幫部破壞深度1.23 m，頂錨桿間排距0.9 m×1.1 m，幫錨桿0.8 m×1.1 m，頂錨索布置方式“121”，掘巷階段頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在83 mm，兩幫移近量58 mm，錨桿載荷僅為其屈服破壞強(qiáng)度的45%～50%，圍巖控制效果較好，能夠保障低位抽放巷服務(wù)期間的圍巖穩(wěn)定。