2301 孤島工作面回風順槽鉆孔卸壓機理研究

王 菁

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 031400）

煤礦為了緩解采掘接續緊張，通常采用跳采的工作面回采順序。但跳采的接替順序一定會形成孤島工作面，孤島面為三側采空區，一側為采區大巷。孤島工作面煤柱內部形成較高的應力集中及兩側工作面覆巖不斷運動的現狀。回采巷道受動壓影響極為嚴重，尤其是超前支承應力及側向支承應力耦合施加的工作面前方巷道，圍巖超前支護壓力巨大[1-4]。由此，研究孤島工作面動壓煤巷圍巖控制技術，對保證孤島動壓工作面安全高效開采具有極為重要的實際意義[5-7]。

1 工程背景

2301 工作面埋藏深度423～469 m，平均450 m，位于三采區左翼，東北側為2303 采空區，西北側為三采區三條系統大巷，東南側為2305 采空區，西南側為老舊煤窯采空區，屬于典型的孤島工作面。2301 工作面開采2 號煤層，煤層厚度變化不大，區間為 2.0～2.4 m，煤層含1 層夾矸，結構較簡單，夾矸平均厚度為0.75 m，煤層普氏硬度為1.0。工作面設計采高為2.2 m，工作面整體為走向S63°W、傾向SE 的背斜構造，煤層傾角1°～6°，平均3.5°。2301 工作面回采巷道沿2 號煤層底板，工作面運輸與回風巷沿煤層走向方向，2301 回風巷長555 m，斷面為矩形，凈寬4.5 m，凈高2.9 m，凈斷面13.05 m2。煤層偽頂為0.75 m 的泥巖，直接頂為厚度7.16 m 的細粒砂巖，基本頂為厚度2.0 m的粉砂巖，直接底為厚度4.64 m 的粉砂巖，基本底為4.23 m 的中粒砂巖。

干河煤礦2301 工作面是三面采空的孤島工作面，在巷道回采及工作面推進過程中，出現了明顯的超前及側向支承應力影響下的巷道大變形及煤壁片幫一系列動壓影響問題[8-9]，如何解決動壓影響下回采巷道的穩定對干河煤礦及類似條件煤炭采出具有借鑒意義。

2 平衡區力學模型

在巷道掘進過程中，破壞了原始地應力平衡，巷道兩幫出現應力升高區，導致巷道煤壁片幫，支護難度加大。可采用超前鉆孔卸壓方法解決，設計相應的動壓弱化方案，施工大直徑鉆孔進行強制卸壓。支承應力升高范圍可用應力平衡區理論進行計算，力學模型如圖1。

圖1 力學模型

由彈塑性理論分析可知，在此種力學結構下，應力升高范圍用下式計算：

式中：C為圍巖的黏聚力，MPa；p0為巷內支護阻力，MPa；φ為圍巖的內摩擦角，（°）。C=5.6 MPa，p0=1.5 MPa，φ=35°。計算可得，應力升高范圍約10.38 m，巷道半徑r0約為2.5 m，則鉆孔深度不低于R-r0=7.88 m。對比其他區域的工程實踐，經理論分析可將鉆孔直徑確定為120 mm。

3 數值模擬

3.1 鉆孔方案設計

為驗證鉆孔卸壓方案的可行性，可采用FLAC3D數值模擬軟件對在巷幫一排鉆孔卸壓弱化巷道動壓顯現特征的技術進行初步驗證。本次模擬中的鉆孔參數均為單排鉆孔，理論計算的應力升高區7.88 m，因此模擬鉆孔深度分別為10 m、15 m、20 m 和25 m，研究鉆孔深度不同對巷道卸壓效果的影響。深度與應力集中程度的模擬結果如圖2 所示。之后在最優炮孔深度的基礎上進行合理炮孔間距的研究，分析單排鉆孔在間距不同時的應力集中程度。根據經驗，模擬中共設置4 種鉆孔間距梯度，分別為0.6 m、1.0 m、1.4 m 和1.8 m，孔間距對應力集中程度的模擬結果如圖3。

圖2 不同鉆孔深度模擬

圖3 不同鉆孔間距模擬

3.2 模擬結果分析

分析圖2 可知，鉆孔的深度對工作面超前區域巷道兩幫應力集中程度影響較小，隨著鉆孔深度從10 m 增加到25 m，巷道兩幫應力集中區域的位置變化不大，超前應力峰值集中在工作面前方7 m 左右的位置。當鉆孔深度為10 m 時，巷道兩幫垂直應力峰值約為23.2 MPa，位于巷道兩幫向里3.0 m處，說明3.0 m 范圍內煤體已經處于強度較低的狀態，失去了對頂板的承載力。當鉆孔深度為15 m、20 m 和25 m 時，巷道兩幫垂直應力峰值分別為23.9 MPa、24.2 MPa、22.9 MPa。根據以上對不同鉆孔深度的模擬結果，鉆孔深度大于10 m 后，單純增加鉆孔深度的方式對采場的垂直應力不產生影響。考慮到鉆孔施工效率與操作難度，卸壓鉆孔的深度可設定為10 m。

通過圖3 不同鉆孔間距模擬的結果可知，鉆孔布設完成后，工作面前方產生了卸壓區域。由于鉆孔的存在，工作面超前支承應力不再單純地使巷道兩幫鼓出變形，而是在鉆孔變形破壞的過程中將超前應力釋放，起到應力的緩沖作用，減小巷道兩幫的移近量，使超前應力均勻分布在工作面前方的煤體中，減小動壓顯現的幾率。當卸壓孔的間距為0.6 m 時，工作面前方的應力升高區域集中在鉆孔之間的煤體中，由于間距較小，應力升高區相互連接，但應力集中程度明顯減小，起到卸壓效果。隨著鉆孔間距的增大，應力升高區仍可以形成相互連接的應力集中區域，繼續增大鉆孔間距至1.0 m、1.4 m和1.8 m 時，應力集中區域不能相互連接，此情況下對降低沖擊危害性是不利的，因此鉆孔的間距不宜大于0.6 m。

模擬中，布置以工作面為起點的應力監測測點，監測巷道兩幫的應力變化情況，繪制的應力變化曲線如圖4 所示。

圖4 不同孔間距應力變化曲線

通過圖4 監測應力曲線的變化情況可知，工作面前方實體煤中距離煤壁約為2.5 m 區域為應力集中區。通過對比4 種不同工況下的應力變化程度可知，孔間距從增大時，垂直應力峰值隨之逐漸增大，但變化幅度不大，統計垂直應力增長程度小于5%，但應力集中區域峰值還是明顯小于無鉆孔情況。鉆孔間距大于1.4 m 時，工作面前方應力分布曲線波動幅度較大，不利于巷道圍巖穩定，故卸壓鉆孔間距可以設置為1.0 m。此時應力集中程度較小，且便于施工。

通過數值模擬初步確定鉆孔卸壓采用單排布置，位于巷道腰線，鉆孔直徑120 mm，鉆孔長度10 m，孔間距為1.0 m。如圖5 所示。

圖5 鉆孔布置圖（mm）

4 結論

1）根據平衡區理論分析巷道開挖兩幫應力升高區域為7.88 m。

2）采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件對卸壓弱化動壓巷道圍巖技術的鉆孔深度和間距進行模擬，優化工程參數。模擬結果顯示，鉆孔深度為10.0 m、鉆孔間距為1.0 m，有利于獲得較好的卸壓效果，且有利于工程施工。