超长孤岛工作面回采巷道应力分布及卸压控制

王建军

（山西省吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心山西吕梁033000）

由于生产接续调整，煤矿产生大量孤岛工作面，在准备回采的工作面或回采巷道周围均为采空区，因此出现了应力的高度集中[1]。孤岛工作面的矿山压力显现明显强烈，超长工作面回采巷道围岩变形量大、控制困难，常会发生严重底鼓、冒顶、片帮等事故，威胁煤矿的安全[2]。针对孤岛工作面回采控制问题，专家学者进行了广泛研究，主要集中在覆岩结构、煤柱留设和冲击地压控制等方面[3-4]。由于采出空间大、覆岩运移复杂、控制效果差等，目前超长孤岛工作面回采巷道控制成为研究难点和热点。

本文以山西前湾煤矿2119-2 工作面回风巷道为研究对象，针对工作面埋深较大(397.2 m～479.8 m)、超长布置(278 m)、留设煤柱大小不同(3 m～20 m)等特征，采用理论分析、数值模拟和现场实测方法研究回采巷道在扰动下的围岩变形特征、应力分布规律，提出超长孤岛工作面巷道卸压原理和工艺参数，实现了回采巷道安全经济支护，具有重要意义。

1 孤岛工作面回采巷道卸压原理及参数

1.1 回采巷道卸压原理

改善回采巷道高应力环境，要在巷道靠近采空区一侧的护巷煤柱中掘卸压巷道，将原来的一个较大的煤柱分成两个小煤柱，使得采空区的支承压力主要由靠近采空区的承载煤柱承担，而靠近巷道的煤柱承担较小的压力，实际上使巷道处于应力降低区内。同时承载煤柱在高应力作用下产生的大量变形也可被卸压巷道的空间所吸收，从而使巷道受到保护而不致产生大量变形。巷道周围的应力演化如图1所示。

图1 卸压巷布置及应力演化

卸压巷能否取得预期的理想效果，关键在于合理选取三个基本参数：即卸压巷的宽度d，支撑煤柱的宽度Lu，及让压煤柱的宽度Lu。卸压巷道应具有足够的空间吸收支撑煤柱的变形量，支撑煤柱应保持一定的稳定程度，让压煤柱基本处于塑性状态。实践证明，卸压巷可将被保护巷道的围岩变形量吸收70%～90%，从而将被保护巷道的围岩收敛量限制在允许范围内，并将煤柱护巷时的煤损减少1/2～3/4，对于易底鼓的煤层巷道更为有效。

1.2 卸压巷布置参数

①卸压巷宽度的选取[5]

式中：S－下顺槽的掘进面积，S=15.75 m2；

W－无卸压巷时预计的巷道断面收缩率，根据以前的观测确定为50%左右；

M－卸压巷高度，根据综掘机的高度及其工作的舒适度，确定为2.7 m。

计算得最小宽度d为1.46 m，为施工方便取卸压巷道的宽度为3 m。

②让压煤柱的选取

式中：Lp－加载带的宽度

b－下顺槽的宽度，取为4.5 m；

γ－上覆岩层容重，为25 kN/m3；

H－巷道埋深，为450 m。

式中：R－让压煤柱的极限抗压强度，为10 MPa。

工作面超前支承压力增高系数k=3，使kP=Q即可得到极限让压煤柱宽度Lu=10.748 m，让压煤柱的宽度取为11 m。

③支承煤柱的选取

式中：K－煤柱受载系数，取为1.2；φ－岩层移动角，为75°。

代入数据计算得Lu=8.543 m，取整为9 m。

由此可得2119-2 孤岛综放面卸压巷道的布置如图2所示。

图2 卸压巷道布置示意图

2 超长孤岛工作面巷道变形特征及围岩应力分布

前湾煤矿2119-2 孤岛工作面位于21 采区下部，相邻2119-1、2119-3综放工作面均已回采。工作面长度278 m，推进长度1 589 m。煤层平均厚度8.45 m，平均倾角为7°，为特厚煤层，采用综采放顶煤回采，一采一放，割煤高度3.0 m，放煤高度5.0 m，采放比1：1.67。

采用FLAC3.0软件建立超长孤岛工作面采场模型（图3），遵守摩尔－库伦模型准则[5]，煤岩层的力学参数如表1 所示。模拟巷道断面为梯形，高度为3.5 m，顶宽度4 m、底宽度5 m，区段煤柱宽度20 m。顶板采用φ22×2 450 mm 型单向左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆、8.0 m 锚索加强支护；两帮采用φ20×1 800 mm 向左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆、金属网进行联合支护。

图3 模拟模型

表1 块体力学参数

2.1 巷道围岩应力分布规律

在数值模型中，选取巷道两帮各10 m、顶部煤层和直接底的区间围岩为分析对象，图4 为回采期间的围岩垂直应力分布图。

图4 围岩垂直应力分布图

由图4 可知，回采期间巷道围岩应力较掘进期间有明显增加，煤柱的垂直应力达到5 MPa以上，最大垂直应力达到17 MPa，集中应力系数1.5。可知巷道围岩垂直应力和煤柱的垂直应力受采动影响急剧增大。

图5为数值模型中巷道在掘进期间和回采期间的围岩垂直应力分布。由图3 可知，巷道上帮煤体中的垂直应力峰值在距离巷道上帮表面10 m处，掘进期间的应力集中系数为2，回采期间的应力集中系数为2.5。煤柱在掘进期间的应力集中系数为1.2，回采期间的应力集中系数为1.5，应力峰值在煤柱中部位置，且应力呈对称分布。

图5 掘进期间和回采期间巷道垂直应力分布

根据图4、图5回采期间巷道的围岩应力分布特征可知，巷道两帮距离巷道表面3 m～4 m以内的区域为塑性区和破碎区，巷道顶板中的塑性区和破碎区范围较大。

2.2 巷道围岩变形特征

图6为20 m煤柱维护巷道回采期间的围岩位移矢量图。由图6 可以看出，顶板下沉量达到580 mm，底鼓量为260 mm，顶底板的相对移近量为540 mm。上帮向巷道的移近量达到270 mm以上，下帮向巷道的移近量达到250 mm以上，两帮的相对移近量为535 mm。

图6 回采期间巷道围岩位移矢量图

对围岩位移矢量方向分析，位移发生区域主要集中在围岩塑性区和破碎区内，两帮煤体在水平方向和垂直方向上均产生位移，巷道顶部的煤体发生离层，其位移值较大。

2.3 卸压效果数值模拟

根据卸压巷道的位置和相关参数进行数值模拟，得到有、无卸压巷的巷道顶底、两帮移近量值如表2所示，以及无卸压、有卸压巷道的应力分布见图7和图8。

表2 巷道表面围岩位移对比表

图7 无卸压巷下采场应力分布图

图8 有卸压巷采场应力分布图

从表2可以看出，布置卸压措施后，巷道的顶板下沉量减少了32.3%，底鼓量减少了41.3%，上帮移近量减少了33.3%，下帮移近量减少了29.7%。图7、图8中巷道周围的最大应力由25 MPa减小到10 MPa，而承压煤柱上的压力急剧增加，达到了27 MPa。卸压巷的布置起到了明显的改善应力环境效果，回风巷道周围应力向承载煤柱转移，其表面位移量显著减少。

3 孤岛工作面巷道围岩控制效果实测

在2119-2 工作面布置卸压巷段和未布置卸压巷段进行工业性试验，布置观测站进行巷道表面位移量观测（如表3所示）；采用KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计进行围岩应力分布实测，其中沿工作面推进方向在煤柱中布置5条测线，煤柱中的每条测线布置7个测点。监测结果如图9、图10所示。

图9 未开卸压巷段应力分布(煤柱侧)

图10 开卸压巷段（即让压煤柱）应力分布

根据图9和图10实测数据，布置卸压巷后，回风巷道周围的最大应力由原先的23.7 MPa减小到8.7 MPa，而承载煤柱上的压力达到了23.7 MPa；应力峰值点由距巷帮煤壁5 m转移至6 m～7 m承载煤柱处，降低了孤岛工作面巷道处应力峰值和高应力范围。

表3 实测巷道表面位移

从表3 可知，卸压巷道的设置，使2119-2 孤岛综放面回风巷道的表面位移量明显减少。顶板下沉量、底鼓量、侧帮移近值分别减少至827 mm、398 mm、346 mm，变形整体可控。可根据应用需要，布置桁架锚索和注浆锚索等实现超长孤岛工作面巷道的协同控制。

4 结论

（1）孤岛工作面长度增加，顶板破断块度加长，顶板垮落活动剧烈，使得工作面矿压显现剧烈。

（2）打设卸压巷道后支承压力向承载煤柱转移，卸压巷道通过吸收煤岩变形释放了集聚能量，使得回采巷道处于应力降低区，改善了应力环境。

（3）得到卸压巷道布置工艺和参数，研究结果在现场超长孤岛工作面巷道进行了应用，巷道移进量小，围岩变形得到了有效的控制。