沿空側護巷寬煤柱體內開挖卸壓巷研究與探討

張 晉

(山西晉煤集團 趙莊二號井， 山西 長治 047100)

鄰近采空區的接續工作面回采期間，其沿空側的巷道受側向支承應力和超前支承應力疊加影響，本身圍巖應力環境較差，此時受回采擾動形成的劇烈動載擾動影響，極易在沿空巷道超前段范圍內發生嚴重的礦壓動力顯現[1-2]. 以往常采用煤層注水、切頂爆破、卸壓爆破、鉆孔卸壓等卸壓方法[3]，并對巷道圍巖采取補強加固措施，雖然在一定程度上能夠起到對沿空側巷道圍巖應力的轉移和圍巖結構的加固效果，但也存在施工工程量大、經濟成本高、對瓦斯濃度要求苛刻等問題。

基于此，提出了在沿空側護巷寬煤柱體內開挖巷道的卸壓方式，該方法能夠在一定程度上提高煤炭資源的采出率，但是對于其卸壓機理以及最優開挖位置的研究還較少。

1 工程地質概況

晉煤集團某煤礦井田東西走向長為20.6 km，南北傾向長為6.4 km，井田內煤層預計可開采儲量高達6 524.6 Mt，設計開采能力為120 Mt/a，預計礦井服務年限為54年。目前，井田內主要開采北翼二采區，采區內N2101首采工作面已經開采完畢，其鄰近的N2102工作面做為接續面正處于回采階段。二采區內主采2#煤層平均厚度為8.9 m，平均傾角為11°，開采高度為4.5 m，采用綜采放頂煤的開采工藝，采放比為1∶1. N2102工作面回采期間，與鄰近的N2101采空區之間留設有寬度為20 m的保護煤柱體，以保護N2102工作面回采期間沿空側N2102回風平巷圍巖結構的穩定性。北翼二采區內各工作面的平面位置關系情況見圖1.

圖1 二采區內工作面平面位置關系圖

由圖1可知，當N2102工作面采掘期間，在沿空側尺寸為寬5.0 m×高3.5 m的回風平巷內設置了3個間隔50 m的礦壓觀測站點，對回采動壓擾動影響下沿空巷道圍巖的穩定性及礦壓顯現規律進行監測。觀測站處布置十字測點[4]進行巷道圍巖移近量監測，監測結果見圖2.

圖2 N2102工作面采掘期間回風平巷礦壓監測圖

由圖2b)可知，在N2102工作面掘進期間，回風平巷圍巖在掘出后45 d時變形量趨于穩定，此時巷道頂板下沉量為168 mm，底鼓量為20 mm，煤柱幫移近量為111 mm，實體煤幫移近量為82 mm. 可見此時巷道頂板和煤柱幫移近量相對較大，但變形量還在可控范圍之內。由圖2c)可知，在N2102工作面回采期間，回風平巷圍巖在超前工作面80 m位置處變形量開始增大，隨著工作面的進一步回采推進，回風平巷圍巖在超前工作面25 m位置處變形量急劇增加，直至工作面回采推進過礦壓觀測站為止。此時巷道頂板下沉量為891 mm，底鼓量為94 mm，煤柱幫移近量為598 mm，實體煤幫移近量為350 mm. 可見此時巷道圍巖發生了較大變形，甚至局部發生冒頂、嚴重底鼓以及幫部內擠變形嚴重等礦壓顯現，嚴重阻礙了回風平巷的通風以及其他生產相關的作業。回采期間現場礦壓觀測情況見圖3，可見回風平巷圍巖破壞情況對于工作面安全開采影響嚴重。

圖3 回風平巷現場礦壓顯現情況圖

綜上分析可知，N2102工作面沿空側的回風平巷圍巖應力環境較差，巷道掘進期間因未受到動壓擾動影響，巷道整體礦壓顯現良好。而當N2102工作面回采時，受工作面劇烈回采擾動影響，原本應力環境較差的回風平巷礦壓顯現嚴重，因此有必要針對沿空側的回風平巷進行卸壓治理。

2 寬煤柱體內開挖巷道卸壓分析

2.1 卸壓機理分析

回采工作面圍巖應力環境見圖4. 由圖4可知，隨著某一工作面的回采推進，將會在工作面的兩側和前方煤體內形成一定范圍的應力升高區(壓縮區)[5]，而當工作面一側存在鄰近采空區時，受鄰近采空區側向支承應力疊加作用，護巷煤柱體內的應力將會進一步升高，進而導致沿空側巷道圍巖的應力環境較差。

圖4 回采工作面圍巖應力環境圖

針對工作面回采期間遇到的這一難題，提出了在護巷寬煤柱體內開挖巷道進行卸壓的方法，進而將原本寬度較大的煤柱體分割成兩個寬度較小的煤柱體，而卸壓巷的存在也將為原本較高應力的轉移和釋放提供良好的釋放空間。分割后的兩個寬度較小的煤柱體本身承載能力有限，很容易在較高的集中應力作用下發生塑性變形而將應力轉移釋放，從而不會在護巷煤柱體內形成高應力集中區，確保了沿空側巷道護巷煤柱體內應力環境良好。在護巷寬煤柱體內開挖卸壓巷前后沿空側巷道上方頂板破斷結構情況見圖5.

圖5 沿空側巷道上方頂板破斷結構示意圖

由圖5a)可知，在寬煤柱體內開挖巷道前，由于較寬的煤柱體承載能力較高，沿空側巷道上方頂板破斷后，側方位斷裂線位置將會位于寬煤柱體上方，導致寬煤柱體所承受的支承應力值較大，關鍵塊B將會對沿空側巷道頂板形成水平擠壓力，進一步導致沿空巷道頂板煤巖體較為破碎，不利于沿空巷道圍巖結構的穩定性。由圖5b)可知，在寬煤柱體內開挖巷道后，原本較寬的煤柱體將會被分割成兩個寬度較小的煤柱體，此時由于煤柱體本身具有的承載能力減弱，將導致沿空側巷道上方頂板破斷后，側方位斷裂線位置轉移至實體煤上方，此時沿空側巷道在關鍵塊B所形成的砌體梁結構保護下，巷道圍巖整體應力環境良好，圍巖結果較為穩定。

2.2 卸壓巷開挖位置計算分析

關于卸壓巷在護巷寬煤柱體內的具體開挖位置，可根據計算模型(圖6)進行分析。

M—卸壓巷高度 d—卸壓巷道寬度 b—沿空側巷道寬度 Ln—讓壓煤柱體寬度 Lu—支承煤柱體寬度 Lp—加載帶寬度圖6 護巷煤柱內卸壓巷布置及應力分布示意圖

針對二采區內采掘地質條件，以N2103未掘工作面為工程背景進行計算分析。在N2103回風平巷的護巷寬煤柱體內開挖卸壓巷道，卸壓巷道斷面尺寸初定為寬4 m×高3.1 m，其巷道圍巖支護強度略低于2103回風平巷圍巖的支護強度。

關于卸壓巷道在護巷寬煤柱體內的具體開挖位置，計算公式如下：

1) 讓壓煤柱體上的總載荷為：

P=Lpq

(1)

(2)

式中：

q—煤層上覆巖層對煤層的均布載荷，MPa/m，取2.6.

2) 讓壓煤柱體能夠承受的極限載荷為：

(3)

式中：

R—讓壓煤柱體的極限抗壓強度，MPa，室內煤樣測試結果取10.6.

Q=kP

(4)

式中：

k—綜放工作面超前支承應力集中系數，取2.8.

聯立公式(1)—(4)可以求得讓壓煤柱體的寬度Ln=5.21 m，在此取整為5 m. 因此，由理論計算分析可知讓壓煤柱體最合理寬度值為5 m.

3 數值模擬分析

為了能夠比較真實地模擬出巖石材料的非均質性，采用RFPA軟件進行開挖卸壓巷前后的模擬分析[6]. 根據現場二采區內地質鉆孔勘測結果以及實驗室對現場煤巖樣取芯測試結果建立三維數值模型，煤巖層物理力學參數見表1.

表1 煤巖物理力學參數表

護巷寬煤柱體內開挖卸壓巷的不同位置模擬方案見表2.

表2 卸壓巷道不同布置方案表

對上述9種方案的模擬結果進行多參量監測，監測結果見表3.

表3 卸壓巷道不同布置方案監測結果表

由表3可以得到不同方案下沿空側巷道和卸壓巷道的最大垂直應力、應力集中系數和頂底板變形量變化規律，見圖7.

由表3和圖7可知，方案2整體上對于2103回風巷道的最大垂直應力、應力集中系數和頂底板變形量改善效果最為明顯。因此，確定選用方案2為現場工業性試驗階段的最優施工方案，這與理論計算得出的讓壓煤柱體最合理寬度結果相一致，驗證了模擬結果的準確性。

圖7 不同卸壓巷道布置方案數值模擬結果圖

4 現場工業性試驗

現場N2103工作面掘進期間，在沿空側護巷寬煤柱體內按照方案2所示開挖卸壓巷道，并對N2103回風平巷圍巖采取補強支護加固措施，即在原有錨網索支護的基礎上，對兩幫部錨桿進行替換，改用d20 mm×L2 500 mm的螺紋鋼錨桿，而對于頂板，將原有的錨索改用d17.8 mm×L8 300 mm的鋼絞線錨索，并將每排的數量增加至3根。

通過在沿空側N2103回風平巷內設置3個間隔50 m的礦壓觀測站點，對回采動壓擾動影響下沿空巷道圍巖的穩定性及礦壓顯現規律進行監測。觀測站處同樣布置十字測點進行巷道圍巖移近量監測，監測結果見圖8.

圖8 N2102工作面采掘期間回風平巷礦壓監測圖

由圖8a)可知，在N2103工作面掘進期間，回風平巷圍巖在掘出后45 d時變形量趨于穩定，此時巷道頂板下沉量為156 mm，底鼓量為20 mm，煤柱幫移近量為105 mm，實體煤幫移近量為84 mm. 可見此時巷道圍巖整體變形量較小，與圖2a)監測結果差異不大，這說明在護巷寬煤柱體內開挖卸壓巷對于沿空側巷道掘進期間圍巖的變形影響甚微。由圖8b)可知，在N2103工作面回采期間，回風平巷圍巖在超前工作面45 m位置處變形量開始增大，直至工作面回采推進過礦壓觀測站為止。此時巷道頂板下沉量為524 mm，底鼓量為94 mm，煤柱幫移近量為401 mm，實體煤幫移近量為322 mm，與圖2b)監測結果對比可知，頂板和煤柱幫圍巖變形量大幅減小，降幅量分別為41.2%和32.9%.

因此，在N2103回風平巷側的護巷煤柱體內合理開挖卸壓巷道，改善了N2103回風平巷的圍巖應力環境，避免了N2103工作面回采期間沿空巷道受回采擾動影響而發生較為嚴重的礦山壓力事故，為后續工作面的正常接續開采提供了保障。

5 結 論

1) 沿空側巷道容易受工作面采動動壓影響而礦壓顯現嚴重，基于此提出了在護巷寬煤柱體內開挖巷道卸壓維護沿空側巷道圍巖結構的穩定性。

2) 理論分析了護巷寬煤柱體內開挖巷道能夠致使側方位斷裂線由煤柱上方轉移至實體煤上方，進而致使沿空側巷道圍巖處于較低的應力環境下；理論計算得到N2103工作面最優的讓壓煤柱體寬度為5 m.

3) 采用RFPA軟件數值模擬了護巷寬煤柱體內開挖卸壓巷的9種不同位置，并通過分析不同方案下最大垂直應力、應力集中系數和頂底板變形量等參量，確定了卸壓巷的位置為與沿空巷道間煤柱寬度為5 m，沿底板掘進。

4) 現場工業性試驗及礦壓觀測結果表明，在護巷寬煤柱體內實施卸壓巷后，N2103工作面沿空側回風平巷頂板和煤柱幫變形降幅量分別為41.2%和32.9%，巷道圍巖應力環境良好，圍巖穩定性較好。