孤岛工作面窄煤柱临空巷道动压影响下围岩控制技术研究

李建伟 宋刚 刘世超 杨艺帆 郭宁

摘  要：孤岛工作面由于高应力存在，容易造成巷道、工作面大变形等问题。以山西晋煤集团翼城晟泰青洼煤业2102工作面为工程背景，为解决青洼煤业生产接续的问题，拟采用水力压裂技术对青洼煤业2103工作面运输顺槽进行切顶卸压，通过FLAC3D软件模拟不同切顶高度情况下对煤柱及巷道围岩的影响，选出合理的切顶高度;并分析2102工作面新掘进风顺槽在新提出的支护方案下巷道的围岩变形情况，验证方案的合理性。通过方案的实施和监测，证明切顶卸压可切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递，削弱采空区侧上覆岩层对2102工作面进风顺槽产生的附加应力，达到控制巷道变形以及维护其稳定性的目的。

关键词：动压巷道;切顶卸压;水力压裂;数值模拟

中图分类号：TD823 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0001-07

Abstract： Because of the high stress in the island working face， it is easy to cause large deformation of roadway and working face. Jin coal group in Shanxi Yicheng Shengtai Qingwa Coal 2102 working face as the engineering background， in order to solve the problems of the green depression in place of coal production， proposed using hydraulic fracturing technology to relieve 2103 mining face of Qingwa coal transport gateway roof. By FLAC3D， it is supposed to simulate different top height cases of coal pillars and the influence of the surrounding rock of roadway， select reasonable cut top height; the surrounding rock deformation of the roadway under the newly proposed support scheme for the wind chute of 2102 working face is analyzed to verify the rationality of the scheme.Through the implementation and monitoring of the scheme， it is proved that the stress transfer between the goaf roof and the retaining roadway roof can be cut off by cutting the pressure， and the additional stress generated by the overlying strata on the goaf side to the inlet channel of 2102 working face can be weakened， so as to control the roadway deformation and maintain its stability.

Keywords： dynamic pressure tunnel; cutting top pressure relief; hydraulic fracturing; the numerical simulation

引言

受相鄰工作面回采所产生动压的影响，孤岛工作面的煤体易发生破碎，加剧了巷道的支护难度，同时受本工作面自身回采的影响，巷道将受到本工作面超前支承压力以及相邻工作面侧向支承压力叠加双重影响，巷道支护更加困难，极容易导致巷道围岩发生较大变形，对工作面回采安全性形成威胁[1]。本文针对青洼煤业2102工作面临空巷道受较大压力产生大变形的问题，提出通过水力压裂技术对顶板进行卸压，削弱或消除2102工作面进风顺槽所受的附加应力。

1 工程概况

青洼煤业位于山西省临汾市翼城县西闫镇十河村，其中2102工作面标高957～1019m，地面标高为1194.7～1235.4m，覆盖层厚度约216.4～237.7m，2102工作面西南侧为已开采的2101工作面，西北侧为开采完成的2103第一工作面，东北侧为将要开采的2103第二工作面，工作面2102为工作面2103生产接续做准备，工作面位置图如图1所示。

新掘进风顺槽受2103工作面的回采影响，使巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力再一次重新分布，巷道围岩周边应力集中程度更高。新掘进风顺槽受二次动压影响，应力的反复扰动使围岩变形比仅受一次采动影响时更加强烈。

2 动压巷道围岩结构力学分析

2102工作面进风顺槽掘进以后，改变了巷道围岩的原始应力状态，引起围岩应力的重新分布，在巷道围岩内出现应力集中。在2103工作面回采时，随着工作面顶板的垮落和上覆岩层的移动，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支撑点转移，破坏了新掘进风顺槽周围应力场的平衡，引起其围岩的应力状态重新分布，随着工作面继续向前推进，采空区顶板悬露面积不断增大，由于矿山压力的影响，会引起顶板各岩层弯曲下沉变形，直到岩层受到的载荷超过其自身的强度极限时引起垮落，可将采空区侧向顶板岩层的垮落近似为平面问题，即形成采空区侧向悬臂结构，采空区侧向悬臂结构模型如图2所示。

为减弱2102工作面进风顺槽受2103工作面回采时的应力扰动，进一步控制巷道的围岩变形，对2103工作面运输顺槽进行切顶卸压，巷道卸压可切断关键岩梁，减弱侧向应力的传递，降低回采工作面覆岩向相邻工作面的荷载转移比例。

2.1 切顶卸压技术理论

切顶卸压措施可改善顶板的冒落性[2]，降低回采工作面覆岩向相邻工作面的荷载转移比例，从而达到减轻巷道变形、破坏的目的。目前常用的切顶措施有预裂爆破和水力压裂技术[3-7]。

预裂爆破切顶卸压是通过爆破方法实现在回采巷道沿采空区处顶板处切一条缝，回采完成后，在矿山压力的作用下回采巷道顶板会在切缝处断开，形成一个面，回采巷道与采空区的动力传动就会消失，孤岛工作面顶板不会受采空区动压影响[8]。水力压裂是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程，水力压裂作业包含两种应用目的：一种应用是控制煤矿坚硬顶板的冒落;另一种是释放矿山压力，防治冲击地压[9]。

根据青洼煤业生产地质条件，选用水力压裂的方法对顶板进行卸压。如何控制水力切缝的位置以及切顶厚度是切顶卸压技术的关键。采用水力压裂方法进行切顶卸压时，应该控制好切顶高度、切顶角度。

3 切顶留巷围岩应力数值模拟分析

为了合理地进行采空区侧切顶卸压工程的设计和施工，采用FLAC3D数值模拟软件对采空区侧切顶卸压，通过模拟不同切顶高度的卸压效应以及切顶过程中围岩的应力和塑性区变形，得出合理的切顶高度，分析巷道移近量的变化及塑性区的演变，得出合理的支护参数。根据青洼煤业生产地质条件与巷道布置位置关系，建立如图3所示的数值计算立体模型，模型尺寸（长×宽×高）确定为：588m×588m×45m，模型上部边界垂直应力按深度220m、容重25kN/m3考虑，为5.5MPa。

3.1 有无切顶卸压模拟结果

针对未进行切顶和切顶情况下，动压巷道围岩垂直应力演化规律进行分析，分析两种情况下工作面前方5m处煤柱及巷道的垂直应力，通过在巷道顶板和煤柱上方设置测线，绘制围岩应力变化曲线。

如图4所示，未进行切顶时，煤柱上方的应力呈现上升趋势，由6MPa上升至12MPa，应力集中系数由1增加到2.1，由于受到工作面回采，靠近采空区一侧的应力大于靠近新巷侧应力;对2103工作面煤柱侧进行切顶，在煤柱侧顶板内部形成了一定的卸压区，应力进行小范围的转移，煤柱上方应力基本处于一条直线上，应力大小为7MPa，集中系数为1.2，表明切顶产生了明显的作用效果，使新巷侧煤柱应力得到降低，煤柱侧承载能力得到提高，优化了新掘巷道附近区域的围岩应力环境。

3.2 不同切顶高度的卸压效应

根据青洼煤业现场地质条件和已有设备，现以50°为切顶角度研究不同切顶高度的卸压效应，在数值模拟过程中共设计了5种不同的模拟方案，即7m切顶、9m切顶、11m切顶、13m切顶、15m切顶。分别建立5个不同切顶计算模型，通过对比不同切顶高度下沿空巷道的围岩应力分布的特征，从而得出在2103工作面工程地质条件下的合理水力压裂切顶高度。

（1）切顶7m方案

根据图5中巷道围岩变形云图，在工作面开挖后超前5m处，切缝巷道实体煤帮内部应力集中区距离巷帮较近，约2.0m，垂直应力最大值13MPa，巷道上方一定范围内存在较明显的卸压区，垂直应力平均值约8MPa。

（2）切顶9m方案

根据图6中巷道围岩变形云图，在工作面开挖后超前5m处，切缝巷道实体煤帮内部应力集中区距离巷帮较近，约3.0m，垂直應力最大值12MPa，巷道上方一定范围内存在较明显的卸压区，垂直应力平均值约8MPa。

（3）切顶11m方案

根据图7中巷道围岩变形云图，在工作面开挖后超前5m处，切缝巷道实体煤帮内部应力集中区距离巷帮较近，约2.0m，垂直应力最大值13MPa，巷道上方一定范围内存在较明显的卸压区，垂直应力平均值约6MPa。

（4）切顶13m方案

根据图8中巷道围岩变形云图，在工作面开挖后超前5m处，13m切缝巷道实体煤帮内部应力集中区距离巷帮较近，约3.0m，垂直应力最大值12MPa，巷道上方一定范围内存在较明显的卸压区，垂直应力平均值约9MPa。

（5）切顶15m方案

根据图9中巷道围岩变形云图，在工作面开挖后超前5m处，15m切缝巷道实体煤帮内部应力集中区距离巷帮较近，约5.0m，垂直应力最大值14MPa，巷道上方一定范围内存在较明显的卸压区，垂直应力平均值约8MPa。

由图10可知，在切顶角度一样的情况下，切顶高度不同使切顶位置发生变化，切顶越高切顶位置离老巷越远，切顶高度由7m增加到13m时，切顶位置位于煤柱靠近老巷一侧，切顶之后，卸压应力减小，使新巷侧煤柱应力降低，减小新巷的破坏，保障工人施工安全，但当高度增加到15m时，切顶位置较靠近新巷侧，新巷侧的切顶效果反而降低。

综上所述，切顶可改善新巷围岩应力环境，7m、9m、11m、13m、15m五种不同切顶高度均可切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递，有明显的卸压效果，随着切顶高度的增加，顶板垮落更加充分，煤柱内部应力集中程度得到缓解，当切顶高度达到一定高度后，改善作用呈现下降趋势。根据2103工作面覆岩性质、理论计算的结果及数值模拟，最优的切顶高度应选择13m。

4 新掘巷道支护方案数值模拟

由于新掘进风顺槽从掘进以后到报废之前，将经历上工作面2103和本区段2102工作面两次采动影响，巷道围岩在受到应力重新分布影响的过程中将会产生持续的变形，因此巷道的支护尤为重要。根据上述理论计算与数值模拟确定的13m切顶高度和初步预计50°的切顶角度，提出新支护方案，对新掘巷道的支护参数进行模拟，验证方案的合理性。

支护方案：

顶板锚杆锚索联合支护，每排2根锚索，间距2400mm，排距2400mm，搭配钢筋托梁与经纬网，端头锚固;每排6根锚杆，间距800mm，排距800mm，加长锚固。两帮采用锚杆支护，每排锚杆数量3根，间距800mm，排距800mm，搭配经纬网，加长锚固，见图11。

2102回采工作面切顶卸压后，对巷道围岩进行支护并且观测该方案在工作面超前5m产生的效果，即顶板围岩垂直位移量、底鼓量、煤柱帮和工作面帮水平位移量，变形量见表1。

通过观察2102工作面新掘巷道在回采期间巷道变形数据，可知该支护方案对巷道围岩起到一定的作用，但在2102工作面回采的超前段应注意合理超前支护以及补强支护。

5 工程实践

5.1 施工要求

巷道钻孔施工及压裂施工由内向外依次进行作业，先打钻，压裂施工滞后进行，钻孔施工完毕后，用静压水清洗钻孔，然后利用窥视仪对钻孔进行窥视，确定预裂缝的位置。

压裂钻孔位置开在老巷顶板，距煤柱侧巷帮1m。距巷道顶板13m，孔径56mm，沿老巷顶板处施工，孔间距5m，孔深17m，与巷道轴向垂直，与巷道水平夹角50°，同时留出封孔器的长度，压裂采用倒退式压裂，每隔5m压1次。压裂时间暂定30min，根据水压变化和岩层出水情况调整，钻孔布置图如图12所示。

5.2 切顶卸压监测效果分析

为了更加准确地分析2102工作面回采期间水力切顶卸压对新掘巷道压力显现的效果，工作面水压压裂工程施工完毕后，需采取有效的检验方法对压裂效果进行检验[11]。巷道的变形量是巷道围岩应力环境的直观体现[12]，通过在2102工作面进风顺槽30m、60m、90m布设表面位移观测点，连续50多天对巷道变形量进行观测，观测结果如图13。

由图13可知，2102工作面进风顺槽在多重动压影响下，巷道的不同位置均出现了一定程度的收缩变形，巷道在前35d内变形量较大，在35d过后就逐渐趋于稳定，且两帮的变形量控制在130～170mm，顶底板移近量控制在240～300mm，巷道的变形得到有效控制。表明水力压裂切顶卸压可切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递，削弱采空区侧上覆岩层对2102工作面进风顺槽产生的附加应力，起到了良好的卸压护巷效果。

6 结束语

本文对青洼煤业2103工作面运输顺槽进行切顶卸压，结合数值模拟和现场实践对该技术进行研究，得出切顶可改善新巷围岩应力环境，有效切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递，有明显的卸压效果，随着切顶高度的增加，顶板垮落更加充分，煤柱内部应力集中程度得到缓解，实现巷道稳定。通过理论分析、数值模拟和现场实践证明，切顶卸压技术的出现及应用能带来巨大的经济及社会效益，消除煤矿生产所存在的安全隐患[13]，所以研究该技术对煤矿安全生产、服务社会意义重大，可以为煤矿的生产提供一定的借鉴，为进一步研究切顶卸压技术作铺垫。

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