2301 孤島工作面回風(fēng)順槽鉆孔卸壓機(jī)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(xù)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(huì)形成孤島工作面，孤島面為三側(cè)采空區(qū)，一側(cè)為采區(qū)大巷。孤島工作面煤柱內(nèi)部形成較高的應(yīng)力集中及兩側(cè)工作面覆巖不斷運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)狀?；夭上锏朗軇?dòng)壓影響極為嚴(yán)重，尤其是超前支承應(yīng)力及側(cè)向支承應(yīng)力耦合施加的工作面前方巷道，圍巖超前支護(hù)壓力巨大[1-4]。由此，研究孤島工作面動(dòng)壓煤巷圍巖控制技術(shù)，對(duì)保證孤島動(dòng)壓工作面安全高效開(kāi)采具有極為重要的實(shí)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(qū)左翼，東北側(cè)為2303 采空區(qū)，西北側(cè)為三采區(qū)三條系統(tǒng)大巷，東南側(cè)為2305 采空區(qū)，西南側(cè)為老舊煤窯采空區(qū)，屬于典型的孤島工作面。2301 工作面開(kāi)采2 號(hào)煤層，煤層厚度變化不大，區(qū)間為 2.0～2.4 m，煤層含1 層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，夾矸平均厚度為0.75 m，煤層普氏硬度為1.0。工作面設(shè)計(jì)采高為2.2 m，工作面整體為走向S63°W、傾向SE 的背斜構(gòu)造，煤層傾角1°～6°，平均3.5°。2301 工作面回采巷道沿2 號(hào)煤層底板，工作面運(yùn)輸與回風(fēng)巷沿煤層走向方向，2301 回風(fēng)巷長(zhǎng)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(xì)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(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)了明顯的超前及側(cè)向支承應(yīng)力影響下的巷道大變形及煤壁片幫一系列動(dòng)壓影響問(wèn)題[8-9]，如何解決動(dòng)壓影響下回采巷道的穩(wěn)定對(duì)干河煤礦及類似條件煤炭采出具有借鑒意義。

2 平衡區(qū)力學(xué)模型

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，破壞了原始地應(yīng)力平衡，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，導(dǎo)致巷道煤壁片幫，支護(hù)難度加大?？刹捎贸般@孔卸壓方法解決，設(shè)計(jì)相應(yīng)的動(dòng)壓弱化方案，施工大直徑鉆孔進(jìn)行強(qiáng)制卸壓。支承應(yīng)力升高范圍可用應(yīng)力平衡區(qū)理論進(jìn)行計(jì)算，力學(xué)模型如圖1。

圖1 力學(xué)模型

由彈塑性理論分析可知，在此種力學(xué)結(jié)構(gòu)下，應(yīng)力升高范圍用下式計(jì)算：

式中：C為圍巖的黏聚力，MPa；p0為巷內(nèi)支護(hù)阻力，MPa；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角，（°）。C=5.6 MPa，p0=1.5 MPa，φ=35°。計(jì)算可得，應(yīng)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(duì)比其他區(qū)域的工程實(shí)踐，經(jīng)理論分析可將鉆孔直徑確定為120 mm。

3 數(shù)值模擬

3.1 鉆孔方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證鉆孔卸壓方案的可行性，可采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)在巷幫一排鉆孔卸壓弱化巷道動(dòng)壓顯現(xiàn)特征的技術(shù)進(jìn)行初步驗(yàn)證。本次模擬中的鉆孔參數(shù)均為單排鉆孔，理論計(jì)算的應(yīng)力升高區(qū)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(duì)巷道卸壓效果的影響。深度與應(yīng)力集中程度的模擬結(jié)果如圖2 所示。之后在最優(yōu)炮孔深度的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理炮孔間距的研究，分析單排鉆孔在間距不同時(shí)的應(yīng)力集中程度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模擬中共設(shè)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(duì)應(yīng)力集中程度的模擬結(jié)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(jié)果分析

分析圖2 可知，鉆孔的深度對(duì)工作面超前區(qū)域巷道兩幫應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)域的位置變化不大，超前應(yīng)力峰值集中在工作面前方7 m 左右的位置。當(dāng)鉆孔深度為10 m 時(shí)，巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值約為23.2 MPa，位于巷道兩幫向里3.0 m處，說(shuō)明3.0 m 范圍內(nèi)煤體已經(jīng)處于強(qiáng)度較低的狀態(tài)，失去了對(duì)頂板的承載力。當(dāng)鉆孔深度為15 m、20 m 和25 m 時(shí)，巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值分別為23.9 MPa、24.2 MPa、22.9 MPa。根據(jù)以上對(duì)不同鉆孔深度的模擬結(jié)果，鉆孔深度大于10 m 后，單純?cè)黾鱼@孔深度的方式對(duì)采場(chǎng)的垂直應(yīng)力不產(chǎn)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(shè)定為10 m。

通過(guò)圖3 不同鉆孔間距模擬的結(jié)果可知，鉆孔布設(shè)完成后，工作面前方產(chǎn)生了卸壓區(qū)域。由于鉆孔的存在，工作面超前支承應(yīng)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(guò)程中將超前應(yīng)力釋放，起到應(yīng)力的緩沖作用，減小巷道兩幫的移近量，使超前應(yīng)力均勻分布在工作面前方的煤體中，減小動(dòng)壓顯現(xiàn)的幾率。當(dāng)卸壓孔的間距為0.6 m 時(shí)，工作面前方的應(yīng)力升高區(qū)域集中在鉆孔之間的煤體中，由于間距較小，應(yīng)力升高區(qū)相互連接，但應(yīng)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(yīng)力升高區(qū)仍可以形成相互連接的應(yīng)力集中區(qū)域，繼續(xù)增大鉆孔間距至1.0 m、1.4 m和1.8 m 時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域不能相互連接，此情況下對(duì)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(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道兩幫的應(yīng)力變化情況，繪制的應(yīng)力變化曲線如圖4 所示。

圖4 不同孔間距應(yīng)力變化曲線

通過(guò)圖4 監(jiān)測(cè)應(yīng)力曲線的變化情況可知，工作面前方實(shí)體煤中距離煤壁約為2.5 m 區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)。通過(guò)對(duì)比4 種不同工況下的應(yīng)力變化程度可知，孔間距從增大時(shí)，垂直應(yīng)力峰值隨之逐漸增大，但變化幅度不大，統(tǒng)計(jì)垂直應(yīng)力增長(zhǎng)程度小于5%，但應(yīng)力集中區(qū)域峰值還是明顯小于無(wú)鉆孔情況。鉆孔間距大于1.4 m 時(shí)，工作面前方應(yīng)力分布曲線波動(dòng)幅度較大，不利于巷道圍巖穩(wěn)定，故卸壓鉆孔間距可以設(shè)置為1.0 m。此時(shí)應(yīng)力集中程度較小，且便于施工。

通過(guò)數(shù)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(zhǎng)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(jié)論

1）根據(jù)平衡區(qū)理論分析巷道開(kāi)挖兩幫應(yīng)力升高區(qū)域?yàn)?.88 m。

2）采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對(duì)卸壓弱化動(dòng)壓巷道圍巖技術(shù)的鉆孔深度和間距進(jìn)行模擬，優(yōu)化工程參數(shù)。模擬結(jié)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。