高瓦斯矿顶板高抽巷优化布置与支护技术研究

张 瑞，赵海卫

(山西煤炭运销集团 寿阳亨元煤业有限公司，山西 寿阳 045400)

高瓦斯矿井的煤炭产量与瓦斯产量呈正比关系，由于瓦斯量增加而引发的煤矿安全生产问题日益增多，成为影响高瓦斯矿井高产高效的一个瓶颈。面对该问题，通过在顶板布置高抽巷能够对工作面瓦斯进行采前预抽以及采后抽放采空区瓦斯。为了取得良好的瓦斯抽放效果，必须确保高抽巷围岩稳定，即必须选择合理的巷道布置与支护方式。

某矿是设计生产能力为800 万t/年的现代化特大型矿井，回采3#煤层，属于高瓦斯突出矿井，为确保安全高效开采，必须采取一系列措施治理瓦斯。目前，采用顶板高抽巷对高瓦斯厚煤层矿井瓦斯进行抽采治理的情况较少，对于顶板高抽巷的科学布置与支护方式研究不多。本文以该矿N1202综放工作面地质与生产条件为基础，通过理论分析与数值模拟相结合的研究方法，分析高抽巷处于不同顶板层位时的围岩控制效果，确定出合理的高抽巷布置位置，并提出相应顶板高抽巷的合理支护技术。

1 煤层瓦斯运移规律及高抽巷布置原则

顶板高抽巷需满足多项功能需求，先要将回风顺槽及工作面未开采前的瓦斯作预抽处理，还要将聚集于采空区的瓦斯进行全部抽取。该巷道围岩除了受自身掘进影响外，还受到邻近回风顺槽掘进及本工作面回采超前支承压力的影响，且巷道的服务时间长，因此加大了巷道维护难度[1].若高抽巷位置选择合理，则能取得较好的瓦斯抽采效果；反之，若高抽巷位置选择不合理，将影响瓦斯抽采效果。煤层中解析瓦斯的运移规律主要受以下3方面作用的影响：

1) 在采动影响作用下，煤体中瓦斯的原始状态发生很大变化，由初始吸附状态演变为自由状态，并传播至煤体裂缝中。工作面回采之后，因采空区位于应力释放区，卸压难度系数提高，瓦斯向采空区转移。2) 因进风巷的风压明显高于回风巷风压，聚集在采空区域的瓦斯就会随风漂流到回风巷侧。3) 因瓦斯密度明显低于空气密度，瓦斯保持向上的状态运动，距离回风侧越近其上空的瓦斯浓度越大。因此，煤层倾向区域瓦斯浓度会不断增高，最终通过工作面上隅角的顶板裂缝扩散至O型圈中。对高瓦斯矿井来说，瓦斯聚集量最高的区域则是工作面上隅角[2].

参考采场覆岩裂缝O型圈运行原理，顶板裂隙带内O型圈可将煤体与采空区析出的瓦斯存储。因此，选择在裂隙带O形圈附近布置高抽巷，能够取得较好的抽采效果。由于回风顺槽瓦斯浓度高于进风顺槽，选择高抽巷偏向回风顺槽裂缝带O型圈周围(未压实区域A顶部)，不仅能够抽采高浓度瓦斯，而且能够更好地解决上隅角瓦斯超限问题[3].采场O型圈位置示意图见图1，采场上覆岩层三带分布示意图见图2.

图1 采场O型圈位置示意图

图2 采场上覆岩层三带分布示意图

高抽巷布置位置由与煤层垂距H及距回风顺槽的水平距离S两个参数决定[4]. 由分析可知，高抽巷应布置于裂隙带内，即H取值30～50 m；水平距离S需确保高抽巷位于未压实区，最远间距不能大于工作面倾向长度的1/3.

因此，顶板高抽巷布置时应遵循的基本原则为：1) 最好选择在卸压瓦斯大量聚集地—回风顺槽侧O型圈内。2) 高抽巷应布置在采动裂隙带最大发育高度内。3) 选择合理的支护技术确保高抽巷围岩的稳定性，使高抽巷不随着工作面回采而废弃。

2 高抽巷合理位置确定

布置高抽巷的目的是抽采瓦斯，而顶板裂隙带O形圈附近存有大量瓦斯，所以需将高抽巷布置在顶板裂缝带O型圈内；考虑工作面采动对高抽巷的影响，且其服务时间较长，因此布置高抽巷时应选择有利于巷道整体稳定的应力减弱区。所以在选择高抽巷布置具体方位时需同时满足在顶板裂缝带O型圈周围与应力减弱区两个条件。

通过多个数值模拟方案对高抽巷不同位置稳定性进行模拟研究与分析，最终根据巷道围岩的变形破坏及应力环境选出最优的高抽巷布置位置。

基于该矿N1202综放工作面地质生产条件，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析。对参数H选择30 m、40 m两种情况，对S选择10 m、30 m、50 m三种情况，两类参数正交后得出的高抽巷布置方案见表1.

表1 高抽巷布置位置方案表

通过数值分析得出，处于不同位置的高抽巷在自身掘进阶段，其围岩变形情况相差不大。因此，本文重点探究回采阶段高抽巷围岩所呈现的变形特征及应力分布情况，确定高抽巷的合理布置位置。

图3 不同布置位置高抽巷围岩垂直应力分布模拟结果图

高抽巷在顶板的布置位置不同时，各个方案的应力峰值分别为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). 对于方案一和方案四，高抽巷布置位置距回风顺槽水平距离10 m，垂直应力集中程度明显，应力集中系数分别为2.2与1.17，其原因是巷道布置地点与煤柱相距较近，巷道围岩位于侧向支承压力快速增加区；当水平距离为30 m、50 m时，高抽巷位于采空区覆岩卸压区，巷道围岩应力水平低，其峰值甚至比掘进时期的应力峰值低。高抽巷两帮的围岩应力分布与巷道中轴线不对称，呈“一高一低”分布形态，应力峰值大小也不同，峰值位置距巷道表面4～8 m. 随着远离巷道表面，应力等值线分布由稠密到稀疏，表明应力变化幅度剧烈。高抽巷顶底板变形量及整体平均下沉量见表2.

表2 高抽巷顶底板变形量及整体平均下沉量表

分析表2高抽巷下沉量可知，与回风顺槽之间的距离越大，即距采空区中部越近，高抽巷总体下沉量就越大。当与回风顺槽距离50 m时，巷道的总体下沉量最高值在825～1 050 mm. 若高抽巷布置位置不合理，当工作面采动一段时间后高抽巷将会呈整体台阶状下沉，甚至导致高抽巷崩塌。

高抽巷的整体下沉量与顶底板变形量随着与回风顺槽距离S的增大而增加，且增加幅度明显。方案 3(H=30 m，S=50 m)与方案6(H=40 m，S=50 m)高抽巷的整体沉降量在各自方案的分类中均为最大值，分别为 930 mm 与 750 mm，约占巷道高度的31%和25%，基于此情况下，巷道会出现台阶状波动。

受采掘工作影响，岩层的变形与沉降幅度决定了高抽巷的整体下沉量，若受采动影响岩层的下沉量大，则在其中布置的高抽巷整体下沉量也增大；高抽巷所处围岩的应力环境是影响其自身围岩移近量的重要因素。

从高抽巷自身所处应力环境考虑，为确保其在回采期间围岩稳定以满足对瓦斯抽放的要求，巷道的合理布置位置应处于采空区覆岩的应力卸压空间区域，由此可以判定方案1和方案4都不符合要求；基于高抽巷下沉量这一参数指标分析，为防止高抽巷因工作面采动前与采动后形状发生变化造成顶底板呈台阶状下沉，断定方案3和方案6也不符合要求。因此，根据上述数值模拟分析得出，高抽巷较为合理的布置位置应为方案 2 或方案 5.

从巷道应力情况与围岩变形量考虑，虽然方案2与方案 5都能满足生产要求，但对比方案5和方案2进一步得出，方案5将巷道布置在较高层位，从高抽巷向下方工作面煤体或采空区打设的抽放钻孔长度增加，使得钻孔成本及工作量显著增加。因此，在围岩变形大致相同的情况下，为减少巷道维护与钻孔施工成本，最终选择方案2(H=30 m，S=30 m)作为高抽巷的合理布置方案。

3 高抽巷支护方式及围岩控制效果分析

3.1 高抽巷支护参数确定

巷道围岩稳定不仅取决于围岩本身结构的完整性，很大程度上也受其所处应力环境影响。为确保巷道围岩稳定以满足矿井正常生产要求，应将巷道布置在应力降低的环境中，并对巷道围岩施加合理的支护形式[5].

通过上述数值模拟分析，确定了顶板高抽巷的最优布置位置，明确了高抽巷围岩的应力环境及其变形情况。由于高抽巷布置在顶板岩层的裂隙带内，巷道围岩中存在多种易滑动、易断裂的不连续弱面，这必然会造成围岩整体强度降低，采动作用产生的动压影响会对不实结构面造成很大破损，成为巷道围岩受损的核心方位。因此，为从根本上保证围岩的整体稳定性，需采取有效措施来强化支护力度。

基于理论研究，数值模拟分析确定的高抽巷支护参数为：

顶板支护：采用锚杆+锚索+矩形金属网+双钢筋托梁支护顶板。各排布置6根锚杆，其排距为900 mm×1 100 mm，所有锚杆皆配备1支K2350和1支 Z2350树脂药卷加长锚固。选用方形托盘，其尺寸是150 mm×150 mm×10 mm；使用d18.9 mm锚索，长度为5 300 mm，间排距为 2 700 mm×1 100 mm，各排1套和2套锚索相间固定，所有锚索皆配备1支K2350和2支 Z2350树脂药卷加长锚固，选用方形托盘，其尺寸是300 mm×300 mm×10 mm.其中锚杆安装预紧扭矩大于300 N·m，锚固力大于200 kN；锚索张拉预紧力大于200 kN，锚固力大于400 kN.

两帮支护：按照锚杆加矩形金属网加单钢筋托梁的方式对两帮进行支护，各帮安排4根锚杆，其间排距保持800 mm×1 100 mm，所有锚杆皆配备1支K2350和1支Z2350树脂药卷加长锚固，选用方形托盘，其尺寸是150 mm×150 mm×10 mm.

3.2 高抽巷围岩控制效果分析

在距巷道迎头10 m位置处布置巷道表面位移观测站，监测记录巷道围岩表面位移量及顶板岩层离层量，根据监测结果绘制的高抽巷掘进期间巷道围岩变形量和顶板离层量见图4，图5.

分析图4，5可知，高抽巷开掘初期，围岩变形速率较大，随着时间增加，围岩变形速率降低，最后接近0.巷道开掘后7天内，围岩变形量达到其最终变形量的1/2，7天之后巷道围岩变形量缓慢增加，掘进12天后变形基本趋于稳定。最后，顶底板与两帮的移近量最大值分别为173 mm、122 mm.

图4 高抽巷围岩变形量曲线图

图5 高抽巷顶板离层量曲线图

顶板锚固区内浅基点和锚固区外深基点的最大离层量分别为56 mm、34 mm，总离层量为90 mm；巷道掘进后顶板的离层状况可划分为3个时期：快速离层期、缓速离层期、稳定离层期。在第一时期内即大约掘进后5天内，顶板在短时间内快速下沉，其下沉量通常占总离层量的50%；第二时期即大约掘进后5～12天，尽管离层速度较慢，不过其离层量逐渐增多；第三时期即掘进12天后，顶板离层保持平稳。顶板离层通常出现于锚固区内，锚固区外离层量非常小，表明锚杆支护可合理控制顶板离层，避免锚固区内岩体破坏变形。

参 考 文 献

[1] 熊礼军,程学华,査文华. 复杂地质条件下回采巷道分区动态加固支护技术研究[J].煤炭工程,2015,47(01)：40-43.

[2] 唐兴春. 坚硬顶板工作面上隅角瓦斯集聚原因分析及治理技术[J].内蒙古煤炭经济,2015(03)：138-139.

[3] 万明亮. 东曲煤矿综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 迁，张科学，杨建雄，等. 顶板走向高抽巷合理位置研究[J].煤炭技术,2017,36(03)：41-43.

[5] 马卫波. 余吾煤业顶板高抽巷合理布置与支护技术研究[D].北京：中国矿业大学,2014.