沿空侧护巷宽煤柱体内开挖卸压巷研究与探讨

张 晋

(山西晋煤集团 赵庄二号井， 山西 长治 047100)

邻近采空区的接续工作面回采期间，其沿空侧的巷道受侧向支承应力和超前支承应力叠加影响，本身围岩应力环境较差，此时受回采扰动形成的剧烈动载扰动影响，极易在沿空巷道超前段范围内发生严重的矿压动力显现[1-2]. 以往常采用煤层注水、切顶爆破、卸压爆破、钻孔卸压等卸压方法[3]，并对巷道围岩采取补强加固措施，虽然在一定程度上能够起到对沿空侧巷道围岩应力的转移和围岩结构的加固效果，但也存在施工工程量大、经济成本高、对瓦斯浓度要求苛刻等问题。

基于此，提出了在沿空侧护巷宽煤柱体内开挖巷道的卸压方式，该方法能够在一定程度上提高煤炭资源的采出率，但是对于其卸压机理以及最优开挖位置的研究还较少。

1 工程地质概况

晋煤集团某煤矿井田东西走向长为20.6 km，南北倾向长为6.4 km，井田内煤层预计可开采储量高达6 524.6 Mt，设计开采能力为120 Mt/a，预计矿井服务年限为54年。目前，井田内主要开采北翼二采区，采区内N2101首采工作面已经开采完毕，其邻近的N2102工作面做为接续面正处于回采阶段。二采区内主采2#煤层平均厚度为8.9 m，平均倾角为11°，开采高度为4.5 m，采用综采放顶煤的开采工艺，采放比为1∶1. N2102工作面回采期间，与邻近的N2101采空区之间留设有宽度为20 m的保护煤柱体，以保护N2102工作面回采期间沿空侧N2102回风平巷围岩结构的稳定性。北翼二采区内各工作面的平面位置关系情况见图1.

图1 二采区内工作面平面位置关系图

由图1可知，当N2102工作面采掘期间，在沿空侧尺寸为宽5.0 m×高3.5 m的回风平巷内设置了3个间隔50 m的矿压观测站点，对回采动压扰动影响下沿空巷道围岩的稳定性及矿压显现规律进行监测。观测站处布置十字测点[4]进行巷道围岩移近量监测，监测结果见图2.

图2 N2102工作面采掘期间回风平巷矿压监测图

由图2b)可知，在N2102工作面掘进期间，回风平巷围岩在掘出后45 d时变形量趋于稳定，此时巷道顶板下沉量为168 mm，底鼓量为20 mm，煤柱帮移近量为111 mm，实体煤帮移近量为82 mm. 可见此时巷道顶板和煤柱帮移近量相对较大，但变形量还在可控范围之内。由图2c)可知，在N2102工作面回采期间，回风平巷围岩在超前工作面80 m位置处变形量开始增大，随着工作面的进一步回采推进，回风平巷围岩在超前工作面25 m位置处变形量急剧增加，直至工作面回采推进过矿压观测站为止。此时巷道顶板下沉量为891 mm，底鼓量为94 mm，煤柱帮移近量为598 mm，实体煤帮移近量为350 mm. 可见此时巷道围岩发生了较大变形，甚至局部发生冒顶、严重底鼓以及帮部内挤变形严重等矿压显现，严重阻碍了回风平巷的通风以及其他生产相关的作业。回采期间现场矿压观测情况见图3，可见回风平巷围岩破坏情况对于工作面安全开采影响严重。

图3 回风平巷现场矿压显现情况图

综上分析可知，N2102工作面沿空侧的回风平巷围岩应力环境较差，巷道掘进期间因未受到动压扰动影响，巷道整体矿压显现良好。而当N2102工作面回采时，受工作面剧烈回采扰动影响，原本应力环境较差的回风平巷矿压显现严重，因此有必要针对沿空侧的回风平巷进行卸压治理。

2 宽煤柱体内开挖巷道卸压分析

2.1 卸压机理分析

回采工作面围岩应力环境见图4. 由图4可知，随着某一工作面的回采推进，将会在工作面的两侧和前方煤体内形成一定范围的应力升高区(压缩区)[5]，而当工作面一侧存在邻近采空区时，受邻近采空区侧向支承应力叠加作用，护巷煤柱体内的应力将会进一步升高，进而导致沿空侧巷道围岩的应力环境较差。

图4 回采工作面围岩应力环境图

针对工作面回采期间遇到的这一难题，提出了在护巷宽煤柱体内开挖巷道进行卸压的方法，进而将原本宽度较大的煤柱体分割成两个宽度较小的煤柱体，而卸压巷的存在也将为原本较高应力的转移和释放提供良好的释放空间。分割后的两个宽度较小的煤柱体本身承载能力有限，很容易在较高的集中应力作用下发生塑性变形而将应力转移释放，从而不会在护巷煤柱体内形成高应力集中区，确保了沿空侧巷道护巷煤柱体内应力环境良好。在护巷宽煤柱体内开挖卸压巷前后沿空侧巷道上方顶板破断结构情况见图5.

图5 沿空侧巷道上方顶板破断结构示意图

由图5a)可知，在宽煤柱体内开挖巷道前，由于较宽的煤柱体承载能力较高，沿空侧巷道上方顶板破断后，侧方位断裂线位置将会位于宽煤柱体上方，导致宽煤柱体所承受的支承应力值较大，关键块B将会对沿空侧巷道顶板形成水平挤压力，进一步导致沿空巷道顶板煤岩体较为破碎，不利于沿空巷道围岩结构的稳定性。由图5b)可知，在宽煤柱体内开挖巷道后，原本较宽的煤柱体将会被分割成两个宽度较小的煤柱体，此时由于煤柱体本身具有的承载能力减弱，将导致沿空侧巷道上方顶板破断后，侧方位断裂线位置转移至实体煤上方，此时沿空侧巷道在关键块B所形成的砌体梁结构保护下，巷道围岩整体应力环境良好，围岩结果较为稳定。

2.2 卸压巷开挖位置计算分析

关于卸压巷在护巷宽煤柱体内的具体开挖位置，可根据计算模型(图6)进行分析。

M—卸压巷高度 d—卸压巷道宽度 b—沿空侧巷道宽度 Ln—让压煤柱体宽度 Lu—支承煤柱体宽度 Lp—加载带宽度图6 护巷煤柱内卸压巷布置及应力分布示意图

针对二采区内采掘地质条件，以N2103未掘工作面为工程背景进行计算分析。在N2103回风平巷的护巷宽煤柱体内开挖卸压巷道，卸压巷道断面尺寸初定为宽4 m×高3.1 m，其巷道围岩支护强度略低于2103回风平巷围岩的支护强度。

关于卸压巷道在护巷宽煤柱体内的具体开挖位置，计算公式如下：

1) 让压煤柱体上的总载荷为：

P=Lpq

(1)

(2)

式中：

q—煤层上覆岩层对煤层的均布载荷，MPa/m，取2.6.

2) 让压煤柱体能够承受的极限载荷为：

(3)

式中：

R—让压煤柱体的极限抗压强度，MPa，室内煤样测试结果取10.6.

Q=kP

(4)

式中：

k—综放工作面超前支承应力集中系数，取2.8.

联立公式(1)—(4)可以求得让压煤柱体的宽度Ln=5.21 m，在此取整为5 m. 因此，由理论计算分析可知让压煤柱体最合理宽度值为5 m.

3 数值模拟分析

为了能够比较真实地模拟出岩石材料的非均质性，采用RFPA软件进行开挖卸压巷前后的模拟分析[6]. 根据现场二采区内地质钻孔勘测结果以及实验室对现场煤岩样取芯测试结果建立三维数值模型，煤岩层物理力学参数见表1.

表1 煤岩物理力学参数表

护巷宽煤柱体内开挖卸压巷的不同位置模拟方案见表2.

表2 卸压巷道不同布置方案表

对上述9种方案的模拟结果进行多参量监测，监测结果见表3.

表3 卸压巷道不同布置方案监测结果表

由表3可以得到不同方案下沿空侧巷道和卸压巷道的最大垂直应力、应力集中系数和顶底板变形量变化规律，见图7.

由表3和图7可知，方案2整体上对于2103回风巷道的最大垂直应力、应力集中系数和顶底板变形量改善效果最为明显。因此，确定选用方案2为现场工业性试验阶段的最优施工方案，这与理论计算得出的让压煤柱体最合理宽度结果相一致，验证了模拟结果的准确性。

图7 不同卸压巷道布置方案数值模拟结果图

4 现场工业性试验

现场N2103工作面掘进期间，在沿空侧护巷宽煤柱体内按照方案2所示开挖卸压巷道，并对N2103回风平巷围岩采取补强支护加固措施，即在原有锚网索支护的基础上，对两帮部锚杆进行替换，改用d20 mm×L2 500 mm的螺纹钢锚杆，而对于顶板，将原有的锚索改用d17.8 mm×L8 300 mm的钢绞线锚索，并将每排的数量增加至3根。

通过在沿空侧N2103回风平巷内设置3个间隔50 m的矿压观测站点，对回采动压扰动影响下沿空巷道围岩的稳定性及矿压显现规律进行监测。观测站处同样布置十字测点进行巷道围岩移近量监测，监测结果见图8.

图8 N2102工作面采掘期间回风平巷矿压监测图

由图8a)可知，在N2103工作面掘进期间，回风平巷围岩在掘出后45 d时变形量趋于稳定，此时巷道顶板下沉量为156 mm，底鼓量为20 mm，煤柱帮移近量为105 mm，实体煤帮移近量为84 mm. 可见此时巷道围岩整体变形量较小，与图2a)监测结果差异不大，这说明在护巷宽煤柱体内开挖卸压巷对于沿空侧巷道掘进期间围岩的变形影响甚微。由图8b)可知，在N2103工作面回采期间，回风平巷围岩在超前工作面45 m位置处变形量开始增大，直至工作面回采推进过矿压观测站为止。此时巷道顶板下沉量为524 mm，底鼓量为94 mm，煤柱帮移近量为401 mm，实体煤帮移近量为322 mm，与图2b)监测结果对比可知，顶板和煤柱帮围岩变形量大幅减小，降幅量分别为41.2%和32.9%.

因此，在N2103回风平巷侧的护巷煤柱体内合理开挖卸压巷道，改善了N2103回风平巷的围岩应力环境，避免了N2103工作面回采期间沿空巷道受回采扰动影响而发生较为严重的矿山压力事故，为后续工作面的正常接续开采提供了保障。

5 结 论

1) 沿空侧巷道容易受工作面采动动压影响而矿压显现严重，基于此提出了在护巷宽煤柱体内开挖巷道卸压维护沿空侧巷道围岩结构的稳定性。

2) 理论分析了护巷宽煤柱体内开挖巷道能够致使侧方位断裂线由煤柱上方转移至实体煤上方，进而致使沿空侧巷道围岩处于较低的应力环境下；理论计算得到N2103工作面最优的让压煤柱体宽度为5 m.

3) 采用RFPA软件数值模拟了护巷宽煤柱体内开挖卸压巷的9种不同位置，并通过分析不同方案下最大垂直应力、应力集中系数和顶底板变形量等参量，确定了卸压巷的位置为与沿空巷道间煤柱宽度为5 m，沿底板掘进。

4) 现场工业性试验及矿压观测结果表明，在护巷宽煤柱体内实施卸压巷后，N2103工作面沿空侧回风平巷顶板和煤柱帮变形降幅量分别为41.2%和32.9%，巷道围岩应力环境良好，围岩稳定性较好。