综采工作面回撤巷强矿压显现机理及控制技术

张 寅，赵 毅，李 皓

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

为保障采煤工作面的安全回撤速度，回撤巷的保护显的尤为重要。大部分回撤巷在工作面超前支承压力的作用下，强矿压显现过程较为剧烈，支护难度大。因此，回撤巷的强矿压稳定性控制已成为影响厚煤层综采工作面安全高效生产的关键要素。

目前，对于井下强矿压显现机理及控制已经有许多研究。针对特厚煤层工作面受远场上覆煤柱大结构影响的强矿压显现机理，高瑞等[1]提出并实施了地面压裂控制强矿压的技术；刘金海等[2]认为长壁工作面存在动态和静态 2个支承压力，其中破裂带范围内岩层运动形成动态支承压力，破裂带上方岩层荷载转移形成静态支承压力；李铁等[3]用震源机制解答方法反演煤矿采动岩体破裂机制，得到华亭煤矿强矿压频发的主要原因，并给出相应的防治措施；肖治民等[4]针对巷道底板的冲击地压特点，建立巷道底板冲击失稳力学模型，推导出了巷道底板发生冲击失稳的能量判据并提出深埋巷道底板大直径钻孔卸压方法；杨敬轩等[5]在分析工作面沿空巷强矿压显现特征的基础上，得到了巷道强矿压主要影响因素，提出对工作面顶板进行双向应力转移以降低端头三角区集中应力的方法；张基伟[6]研究急倾斜煤层开采覆岩初次、周期顶板破断机制，揭示煤、岩非对称应力分布特征与演化规律，提出强矿压显现危险区域预测与定向弹性能释放强矿压控制方法；于斌等[7]针对大同石炭系坚硬顶板特厚煤层开采造成的强矿压显现及控制难题，通过现场实测和理论分析，揭示了大空间远、近场岩层失稳破断的强矿压显现机制，提出了坚硬顶板控制技术；窦林名等[8-9]通过实验分析动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件，得到动静载加载条件下煤岩的破坏形态，揭示了动静载叠加诱发冲击矿压显现的机制。

虽然目前对井下强矿压显现机理研究较为丰富，但多为针对工作面强矿压显现的机理研究，针对回撤巷强矿压显现机理的研究较少。为保障回撤巷的安全使用，多位学者[10-18]从加强支护角度出发提出了多种支护方案，但控制措施单一。笔者以鄂尔多斯纳林河二号井31102工作面回撤巷强矿压显现为背景，通过现场监测和理论分析等方法，对厚煤层综采工作面回采过程中回撤巷强矿压显现机理予以进一步研究，并提出更加高效合理的控制技术，以期对类似条件矿井提供借鉴。

1 工程概况

31102工作面为纳林河二号矿井第二个回采工作面，为大采高一次采全厚综采工作面，工作面长度为241 m，走向长度约3 070 m，工作面平均埋深550 m。工作面回采的3-1煤层层位稳定，倾角0°～1°，属于近水平煤层，煤厚5.4～5.8 m，平均厚度5.5 m，煤层为厚煤层，煤层硬度相对较大，坚固性系数f=1.6，单轴抗压强度Rc=22.16 MPa，图1为31102工作面平面位置示意图，31102工作面北部为31101工作面采空区，区段煤柱宽度20 m，南侧为31103工作面实体煤。

31102工作面进入末采后期，主、辅回撤巷发生多次强矿压显现事件，造成巷道帮部开裂、鼓帮，支护结构变形、破坏。其中巷道两帮内挤最大处达1.0 m，锚杆锚索失效率超过30%。图2为主、辅回撤巷道破坏情况。

图1 纳林河二号矿井31102工作面巷道布置Fig.1 Diagram of roadway layout in working face 31102 of Nalinhe No.2 Mine

图2 纳林河二号矿井31102工作面主、辅回撤巷道破坏情况Fig.2 Damage of main and auxiliary withdrawal roadways in working face 31102 of Nalinhe No.2 Mine

2 采动影响下回撤巷强矿压显现特征

2.1 采场走向应力变化分析

通过对31102工作面现场实地考察资料和积累的应力数据综合分析，确定31102工作面冲击危险判断线。工作面超前支承压力随着工作面推进不断前移，末采初期，采场走向应力分布曲线如图3a所示，此时主、辅回撤巷道处于采动影响范围外，回撤巷道两侧的煤体在巷道开挖后应力有所升高，但低于冲击危险判断线。

当工作面进入末采中期后，如图3b所示，主回撤巷道后方未回采完毕的煤体将受到工作面超前支承压力的影响，随着工作面向回撤巷道持续推进，主回撤巷道与工作面之间的煤柱宽度逐渐缩小，煤柱上的应力集中程度不断增加，主回撤巷道后方附近煤体的应力水平超过冲击危险判断线，容易发生冲击地压灾害。

当工作面接近主回撤巷道后，工作面与主回撤巷道之间的煤柱处于完全塑性破坏状态几乎无承载能力，此时采场走向应力分布如图3c所示，工作面超前支承压力显著影响范围前移至主、辅回撤巷道之间的煤柱，造成此范围的煤柱应力集中程度显著升高，达到发生冲击地压的应力水平，同时，辅回撤通道前方的煤体应力水平发生小幅度升高，具备发生强矿压显现的风险。

图3 采场走向应力变化特征Fig.3 Variation characteristics of strike stress in stope

2.2 回撤巷道应力监测数据分析

为分析31102工作面超前支承压力对回撤巷道的影响情况，在两回撤巷道内安装应力测点进行监测。回撤巷应力测点布置情况如图4所示，在主回撤巷道内向实体煤一侧每隔30 m布置一组深、浅孔应力计，共布置7组；在辅回撤巷道内向煤柱一侧每隔约60 m布置一组深、浅孔应力计，共布置4组，对两回撤巷之间的煤柱补充有效监测。

图4 回撤巷道应力测点布置Fig.4 Layout of stress measuring points in withdrawal roadway

随着31102工作面进入末采阶段后，回撤巷道应力测点监测值将随着工作面的推进开始发生明显变化。

分析31102工作面剩余长度14 m前的应力监测数据，主回撤巷道应力监测结果如图5所示，当工作面剩余约130 m时，各测点应力值开始出现缓慢上升趋势；工作面剩余约62 m时监测应力值出现明显增高趋势，说明监测范围进入超前支承压力显著影响区域；工作面剩余20～34 m时各应力测点监测值均达到其峰值状态，最大应力增幅约8.05 MPa，证明此范围为超前支承压力峰值区域。

图5 主回撤巷道内各应力测点应力曲线Fig.5 Stress curves of stress measuring points in main withdrawal roadway

辅回撤巷道应力监测结果如图6所示，在监测期间，相对于主回撤通道，辅回撤巷道监测应力值变化较小，最大增幅约3 MPa。随着工作面回采，预测主、辅回撤通道之间的煤体应力集中程度将进一步增加。

随着工作面走向剩余长度不断减小，超前支承压力峰值区逐步逼近主、辅回撤通道，因主辅回撤通道间煤柱宽30 m，工作面回采完毕后，应力峰值处于辅回撤通道处或主辅回撤通道间煤柱靠近辅回撤通道内。

图6 辅回撤巷道内各应力测点应力曲线Fig.6 Stress curves of stress measuring points in auxiliary withdrawal roadway

冲击灾害和强矿压显现都是岩体中积聚能量释放的过程，参考动静加载型冲击启动力学模型及能量判据[19]，当采动围岩近场系统内集中静载荷与采动引起的动载荷能量相加大于围岩破坏所需最小能量时，达到强矿压显现的能量条件。

结合采场走向应力变化图与主、辅回撤巷内应力监测曲线，可以得出工作面采动引起的超前支撑压力是回撤巷强矿压显现的原因之一。工作面超前支撑压力随工作面的推进而不断前移，当超前支撑压力影响范围到达主、辅回撤巷道，与回撤巷道开掘引起的原有静载叠加，叠加应力值超过煤岩体所能承受的极限应力就会发生强矿压显现现象。

2.3 相邻采空区顶板应力影响

通常单侧临空厚煤层综采工作面超前支护段受本工作面采动影响，且超前支承压力比普通综采工作面大，同时受相邻采空区顶板垮落不充分引起的集中应力影响，巷道超前支护段周围的煤岩体出现较高应力区，从而使超前支护段出现强矿压显现。

为分析顶板破断条件下工作面回采巷内应力分布特点，定义采掘影响下同位置处煤岩体支承压力q(x)与原载荷q0的比值为煤岩体支承压力系数k(x)：

于斌等[20]采用三参数Weibull函数对煤岩体支承压力系数拟合得到的煤岩体支承压力系数表达式为：

式中：m为煤岩体支承压力系数的形状参数；η为支承压力系数的尺度参数；δ为支承压力系数的位置参数；L为煤体长度。

根据本矿井实际地质环境和Weibull函数的特点，取形状参数m=2，巷道侧煤体支撑压力尺度参数η1=0.3，工作面煤体支撑压力尺度参数η2=0.5，两侧位置参数δ1、δ2均取0，顶板失稳破断时煤层应力为6.5 MPa，对工作面超前支护段内的煤体支撑压力进行拟合。联立式(1)、式(2)得到巷道超前支撑段内煤体支撑压力分布(图7)。

图7 工作面超前支护段附近煤体支承压力Fig.7 Support pressure of coal near the advance support section of working face

图7中x轴正向与超前支护段到工作面方向一致。由图中可以看出，工作面开采引起前方煤岩体应力升高，应力从工作面超前60 m左右区域开始明显升高，应力峰值接近30 MPa，与主回撤巷内应力监测结果一致。说明回撤巷强矿压显现的一个重要原因是，工作面采动引起的超前支承压力与相邻采空区顶板未完全垮落引起的应力集中叠加，使工作面超前段的回撤巷附近煤岩体应力升高，出现强矿压显现。

综上分析可知，当工作面回采到回撤巷附近时，工作面采动引起的超前支承压力、相邻采空悬顶引起的双向支承应力和回撤巷开掘引起的静载三者耦合作用，引起回撤巷道两侧煤岩体内应力升高，造成回撤巷内强矿压冲击现象的发生。

3 回撤巷强矿压控制技术

根据31102回撤巷的强矿压显现机制，3种应力叠加应力强度较大，单纯的转移应力或者提高支护强度是不够的。结合回撤巷来压特点和支护经验，有效结合钻孔卸压情况与支护技术，确定31102回撤巷强矿压控制方案，使其处于“强支、强卸”状态。

3.1 “强卸”控制技术

参考周边相似条件矿井，结合本工作面应力分布情况和地质概况综合考虑，在主、辅回撤通道内及其附近巷道具体卸压钻孔施工参数见表1。

所有联络巷、巷道交叉口，可根据现场实际情况布置卸压钻孔，但必须保证其两侧不卸压距离不超过5 m。具体钻孔布置方案如图8所示。采动过程中对于局部应力监测预警区、钻孔检测超标区、微震活动异常区等进行补充卸压。

3.2 “强支”控制技术

主、辅回撤巷道采用的常规锚网喷主动支护技术无法保证回撤巷道的安全使用，为保障工作面末采阶段安全回采，需要对回撤巷道增加补强支护。

①主回撤巷道补强支护 主回撤巷道采用两排ZZ18000/25/50垛式支架支护。垛式支架布置在主回撤通道两侧，共布置84台；每台垛架上方铺设7根150 mm×150 mm×1 500 mm道木，以防锚杆、锚索失效，且垛式支架必须升紧，接顶严实可靠，确保支护效果。

②联巷补强支护 1、2、3号联巷靠近主回撤通道一侧的联巷口各布置2台垛式支架，共计6台，每台支架支护强度18 000 kN，每台垛架上方铺设7根150 mm×150 mm×1500 mm道木，垛式支架必须升紧，接顶严实可靠，确保支护效果；1、2、3号联巷两侧的联巷口布置单体液压支柱+顶梁支护，支护距离10 m，单体排距1 m、1梁4柱(巷道交叉口处抹角处适当加大每排单体之间距离)；每个联巷口安装两排单体+顶梁支护、1梁12柱。

表1 钻孔卸压参数Table 1 Borehole pressure relief parameters

图8 回撤巷道附近大直径钻孔卸压区域及参数设置Fig.8 Pressure relief area and parameters of large diameter boreholes near withdrawal roadway

③辅回撤巷道补强支护 辅回撤通道内1、2、3号联巷两侧各10 m范围内，布置单体液压支柱+顶梁支护，单体排距1 m、1梁4柱；每个联巷口安装两排单体+顶梁支护、1梁12柱。

④主回撤巷道与其他巷道连接处补强支护主回撤巷道与31102辅运巷道、回风巷道和胶运巷道连接处采用单体液压支柱+顶梁支护，梁距1 m，支护范围为巷道交叉口两侧各10 m范围内(主回撤通道与回风巷道、胶运巷道交叉口靠近采空区一侧可不布置单体液压支柱+顶梁支护)。

3.3 巷道控制效果

在31102工作面回采通过回撤巷后期，对31102工作面进行强矿压控制措施处理，发现控制效果良好。但由于无法在采取强矿压控制措施后还原31102工作面回采经过回撤巷的全过程，为更加全面地对此控制措施予以验证，在31102工作面相邻31103工作面回采通过回撤巷前对31103工作面回撤巷采取强矿压控制措施，将工作面回采经过回撤巷时31102工作面回撤巷与31103工作面回撤巷应力及矿压显现情况进行对比分析，对此控制措施予以验证。由于31102工作面与31103工作面相邻且所处地质环境相似，工作面巷道布置方式相同，因此，该验证方式可靠有效。

通过观察发现，在工作面通过回撤巷时没有发生鼓帮现象，巷道两帮煤壁完整性较好。主、辅回撤巷道内布置的应力计监测所得数据分别如图9、图10所示。

图9 纳林河二号井31103工作面强矿压治理后主回撤巷道内各测点应力分布Fig.9 Stress distribution of each measuring point in main withdrawal roadway of working face 31103 after strong ground pressure treatment,in Nalinhe No.2 Mine

图10 纳林河二号井31103工作面强矿压治理后辅回撤巷道内各测点应力分布Fig.10 Stress distribution of each measuring point in auxiliary withdrawal roadway after treatment of strong ground pressure in working face 31103,in Nalinhe No.2 Mine

对比图5与图9测点应力曲线可得：采取强矿压控制措施后，当回采工作面距主回撤巷14～60 m时，主回撤巷道内各测点应力，峰值最大降低率达59%降低率为40%～50%。当回采工作面距主回撤巷60～200 m时，采取强矿压控制措施后，各应力测点应力值降低率为30%～40%。对比图6与图10各测点应力曲线，发现采取强矿压控制措施后辅回撤巷道各测点应力值降低率为30%～40%。

综上可知，在大直径钻孔卸压的作用下，当工作面回采至回撤巷附近时，工作面开采引起的高应力向煤体深部转移，回撤巷附近浅部煤体所受应力明显减小，极大地降低了冲击事件发生的概率。在合理补强支护的协同作用下，保障了工作面的安全回采。

4 结论

a.应力监测结果表明，工作面接近回撤巷时的超前应力显著影响距离约为62 m，峰值影响范围为20～34 m。工作面回采完毕后，应力峰值处于辅回撤巷道处或主辅回撤巷道间煤柱靠近辅回撤通道区域。

b.回撤巷强矿压显现的机理主要是工作面采动引起的超前支承压力、相邻采空悬顶引起的双向支承应力，以及回撤巷开掘引起的静载三者耦合作用，导致回撤巷道两侧煤岩体内应力升高，造成回撤巷内强矿压冲击现象的发生。

c.合理地结合钻孔卸压与支护技术，制定31102回撤巷强矿压控制方案，使其处于“强支、强卸”状态。通过对31103工作面回采过程中回撤巷应力变化现场实测及巷道损伤情况进行观察，认为此控制技术有效解决了厚煤层综采工作面回撤巷强矿压显现问题，弥补了此前回撤巷强矿压控制技术的不足，对解决类似矿井回撤巷强矿压显现问题具有重要意义。