孤岛工作面回采巷道围岩稳定性控制研究

张继东

（山西西山煤电西曲矿通风科，山西 古交030200）

0 引 言

煤矿在采区以及工作面开采规划时，受到地质以及工程条件以及正常采掘衔接要求的影响，不得不做出工作面跳采的决定[1]。这就势必造成了两侧采空或者三侧均采空的孤岛工作面，孤岛工作面覆岩应力分布受到二次或三次采动应力的影响，在孤岛工作面两侧均出现了不同程度的应力集中[2]。在孤岛工作面回采过程中，回采巷道受到剧烈的集中应力的影响，巷道收缩程度强、围岩稳定性差，对工作面的安全高效作业影响较大，对矿井的整体效益形成了制约[3]。学者刘春刚[4]立足于索锚网联合支护形式，运用FLAC3D数值模拟方法，以镇城底煤矿22613 孤岛工作面的轨道巷为工程背景，认为解决孤岛工作面的主要途径为增加巷道支护强度，同时增加锚杆、锚索长度以形成更为坚固的支撑结构。学者赵建峰[5]基于平煤一矿戊9-23010 孤岛工作面回采巷道围岩控制问题，利用X射线衍射仪、点载荷仪以及岩层探测记录仪对戊9-23010 孤岛工作面回采巷道的围岩特性进行了详细分析，结合相邻矿井实际提出多个支护方案，结合FLAC3D数值模拟方法选择出了“索锚网喷+U 型钢棚”综合支护形式。

本文依托西曲矿12316 综采工作面为孤岛工作面的生产实际，在矿井原有12316 工作面运输顺槽支护失效的情况下。分析了孤岛工作面回采巷道覆岩块体铰接结构，并对锚杆、锚索的设计参数进行设计，并进行了现场应用。经过现场钻孔窥视与巷道表面位移监测，该种支护参数对巷道稳定产生了积极的控制作用，产生了良好的效果。

1 工程概况

西曲矿12316 综采工作面位于南三盘区位于西曲矿＋983 水平中下部，北临已回采的2+3# 煤12307、22102 工作面；南临已回采的2+3#煤12301、12302 工作面；西临已回采的2+3#煤12303、12304、12305、12306 工作面；东临已回采的2.3#煤22101、22107、22108 工作面。12316 综采工作面属于典型的“U”型孤岛工作面，12316 工作面两侧区段煤柱均为20m，工作面范围内2+3# 煤厚度稳定，煤厚4.12～4.75m，平均4.50m，煤层结构简单，煤层整体倾向西南，倾角2°～7°，平均为5°。工作面煤层顶底板条件见表1。工作面范围内未见断层与陷落柱构造，该区域内无河流冲刷带及岩浆侵入体影响。工作面地质与水文地质条件简单。

表1 煤层顶底板情况表

12316 运输顺槽沿2+3 号煤层底板掘进，设计长度1150m，巷道为矩形断面，净宽5.0m，毛宽5.2m，净高3.3m，毛高3.4m，净断面积16.5m2，掘进断面积17.68m2，顺槽断面较大，主要担负12316 工作面主要设备运输与工作面煤流运输以及为输送工作面新鲜风流等任务。

2 孤岛工作面回采巷道围岩稳定性分析

由于12316 工作面两侧全部采空，工作面上覆岩层在受到两次采动影响后，上覆岩层破坏严重。12316工作面运输顺槽受到掘进扰动以及回采扰动后，巷道围岩稳定性较差，若巷道支护强度不够，巷道极易发生变形与破坏，严重影响回采工作面的安全高效作业。考虑到12316 工作面运输顺槽一侧为实体煤一侧为20m 的区段护巷煤柱，可构建巷道覆岩结构模型[6]，见图1。

图1 孤岛工作面回采巷道覆岩结构示意图[6]

由图1 可知，12316 综采工作面两侧工作面均已回采完毕，上覆岩层关键层受到两次采动影响，沿12316 综采工作面分别对称断裂为A、B、C 三个关键块体。其中块体A 为12316 综采工作面上覆岩层关键层，块体C 为相邻已回采工作面采空区，并已完全垮落，块体B 与块体A、C 形成铰接稳定结构。当12316 工作面运输顺槽掘进或12316 工作面回采工作面形成的掘进扰动或回采扰动影响，破坏运输顺槽上部块体B 与块体A、C 形成铰接稳定结构后，块体B 既会产生旋转垮落，对运输顺槽围岩产生强烈冲击压力，导致运输顺槽围岩严重破坏，影响顺槽内人员与设备安全。因此对于孤岛工作面回采巷道的支护原则应当为增大巷道支护强度，维护巷道围岩稳定性，形成块体B 稳定的承载结构。

3 巷道原有巷道支护形式及效果

3.1 巷道原有支护

12316 工作面运输顺槽在掘进初期，提出了“非对称支护”原则，认为孤岛工作面回采巷道实体煤侧承载能力较强，故块体A 与块体B 之间的铰接结构较为稳定，而煤柱侧由于煤柱稳定性较差，故应当对巷道煤柱侧进行加强支护，以维护块体B 与块体C之间的铰接结构稳定。故对煤柱帮侧进行了加强支护。巷道原有支护参数见表1，巷道支护断面见图2。

表1 巷道原有支护参数

图2 巷道支护断面图

3.2 巷道原有支护效果

12316 工作面运输顺槽掘进500m 后，在旧有支护条件下，巷道出现严重变形，由图3 可见，巷道顶板围岩较为破碎，巷道锚索由于受到集中应力，锚索托盘弯曲变形；巷道实体煤帮片帮严重，表面煤体已经完全脱落，钢筋梯子梁弯曲变形，帮锚杆未能有效控制巷帮失稳。同时，巷道原位钻孔窥视图中可以清晰发现，巷道顶板围岩成块状破碎，不能形成稳定承载结构。可见由于采用“非对称支护”原则，单纯对巷道煤柱帮进行了加强支护，导致了巷道实体煤帮支护强度不足，从而引发了关键块体B 与关键块体A 的铰接结构失稳。引起块体B 的旋转失稳，其产生的回转失稳载荷，又作用于巷道顶板，造成了巷道在掘进期间就发生整体失稳的现象。

图3 巷道失稳图

图4 巷道原有支护顶板0～2m 窥视图

4 巷道优化支护形式及效果

4.1 巷道优化支护形式确定

针对原有支护失效的现象，笔者认为主要原因在于未能正确认识到12316 运输顺槽的顶板破断块体铰接等特点，未能对顺槽围岩进行全面加强支护，没有形成连续的高强度支护承载结构，顺槽实体煤帮的破坏直接导致了巷道围岩整体失稳。笔者针对该现象，提出了“巷道全断面连续加强支护”原则即对巷道整体断面进行加强支护，形成连续的稳定应力承载体，优化顺槽支护参数与支护形式见表3 与图5。

表3 巷道优化支护参数

图5 巷道优化支护断面图

4.2 支护效果检测

采用优化后的“巷道全断面连续加强支护”的支护形式后，巷道围岩基本保持稳定，在后续的掘进作业中，未出现失稳现象。同时，利用原位钻孔窥视监测手段，见图6，可以发现，巷道顶板围岩整体稳定性较好，裂隙发育不明显，说明巷道支护体强度较好，在掘进期间保证了巷道上方关键块体之间的铰接结构的稳定性。

图6 巷道优化支护顶板0～2m 窥视图

为验证巷道“围岩—支护体”结构是否能够控制采动扰动下的巷道上方关键块体之间的铰接结构的稳定性，必须在工作面回采时期观测巷道的表位位移，见图7，巷道相帮相对移近量为99.5mm，巷道顶底板移近量为69.7mm。

图7 巷道表面位移监测

说明该种支护方法，对12316 运输顺槽围岩进行了有效控制。优化后的支护方式，不仅能够稳定巷道掘进扰动情况下的顶板上方关键块体之间的铰接结构的稳定性，还能够抵抗采动扰动对该结构的影响。

5 结 论

本文依托西曲矿12316 孤岛综采工作面运输顺槽原有支护失效工程实际，对巷道覆岩破断块体铰接结构进行了说明，并认为块体B 两端铰接都需要控制，对巷道破坏进行了现场调研，对巷道顶板0～2m范围进行了钻孔窥视，认为在巷道原有支护强度下，巷道围岩已经失稳，证明在该矿条件下“非对称支护”原则已经不能适用。并提出了“巷道全断面连续加强支护”原则，优化顺槽支护参数后，钻孔窥视结果与现场调研表明，巷道在掘进期间围岩完整性较好，巷道在工作面回采期间两帮相对移近量为99.5mm，巷道顶底板移近量为69.7mm。处于安全使用范围之内，该支护形式，确保了顺槽围岩稳定性。