， ，，，泽华

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学(北京) 煤炭安全开采与地质保障国家级实验教学示范中心，北京 100083)

在我国矿井设计中，受地质与回采技术限制，井田内的再划分以分区式为主，即采用开采水平划分阶段，阶段内划分采区，利用上下山作为开采水平与回采巷道联系的枢纽，一般上下山与水平大巷布置在煤层群的下层煤或底板岩石中，在开采中造成大巷、上下山上方存在残留孤岛煤体。孤岛煤体的存在带来几方面的负面影响：造成大量资源的浪费，加快矿井枯竭速度；加速矿井向深部延深的速度，带来一系列动力灾害威胁；孤岛煤体的存在给下伏井巷工程的维护带来困难。因此，实现孤岛残留煤体的回收具有重要的经济与社会效益。目前有关孤岛煤体回收的研究成果主要集中在冲击地压预测、预报与防治及相关技术上[1-15]。综合现有成果发现，针对下伏大巷围岩稳定性控制的上覆孤岛残留煤体回采技术几乎没有相关科研成果的报道，因此，本文基于此问题以开滦矿区东欢坨矿实际情况作为工程背景展开研究，预期研究成果可为具有同类回采技术条件的矿井提供一定的参考价值。

1 工程概况

东欢坨矿8#孤岛煤柱位于-500水平中央采区，残留煤柱标高-420～452m，地面标高16.9m，走向长1816.1m，倾斜长75～105m，可采储量83.5万t，孤岛煤柱与下伏大巷空间关系如图1所示。8#孤岛煤柱工作面煤厚2.2～4m，平均3.3m，煤层倾角平均20°。可采指数1.0，煤厚变异系数5.25%，为稳定煤层，结构简单。

图1 孤岛煤柱与下伏大巷空间关系示意图

-480水平南翼运输大巷和-500水平南翼轨道大巷位于8#孤岛煤柱下方，其中，-480水平南翼运输大巷与开采煤层距离较近(法向距离47m，垂直距离50m)。受孤岛煤柱集中应力的影响，-480水平南翼运输大巷变形严重。因此，以孤岛煤柱回采技术参数对下伏大巷围岩稳定性的影响作为主要内容展开研究，以期提高8#煤层采出率，并改善下伏大巷支护难度大的现状。

2 孤岛煤柱回采参数对下伏大巷的破坏影响

2.1 数值模拟模型的建立

采用FLAC3D5.0数值模拟软件建立计算模型，模型尺寸为X×Y×Z=500m×150m×195m，由495900个块组成，包括516222个格点。按照8#孤岛煤柱实际情况，模型设置8#煤层厚度为3.5m，平均倾角为20°，巷道尺寸为3.2m(巷高)×4.8m(巷宽)。模型埋深约为350m，在模型顶部施加350m×0.025MN/m3=8.75MPa的荷载以模拟上覆未建岩层对模型形成的载荷。边界条件为：模型底部边界对节点水平和竖直方向的速度进行约束，模型两侧边界对节点的水平速度进行约束，上边界为自由边界。模型所采用的岩石物理力学参数见表1。

表1 各岩层力学参数

2.2 煤柱尺寸对下伏大巷影响

为了掌握8#孤岛煤柱与两侧采空区留设煤柱尺寸对下伏大巷围岩破坏范围的影响特点，分别以留设3m、5m、8m、10m、15m和20m护巷煤柱作为实验对象对下伏大巷的围岩稳定性展开研究，留设不同宽度煤柱时下伏大巷围岩塑性区分布如图2所示。

图2 不同煤柱尺寸下伏大巷围岩塑性区分布图

综合孤岛煤柱两侧留设不同煤柱尺寸对下伏大巷围岩塑性区破坏范围的模拟结果，将各模拟塑性区范围进行汇总，具体见表2。对比分析8#孤岛工作面留设不同尺寸煤柱对下伏大巷围岩塑性区破坏范围的影响，发现下伏大巷围岩塑性破坏整体呈“X”型，也即巷道顶、底板左右两端出现最大塑性破坏范围。从煤柱尺寸对大巷塑性破坏范围的影响进行分析，发现孤岛工作面留设的煤柱尺寸越大，下伏大巷围岩塑性区破坏范围越大，因此从提高孤岛煤柱回采率与下伏大巷稳定性控制两个方面考虑，确定护巷煤柱尺寸为3m时更为有利。

表2 不同煤柱尺寸下伏大巷围岩塑性破坏情况 m

2.3 采高对下伏大巷的影响

对于3.3m厚度残留孤岛煤柱的开采，理论上可以采用整层开采与分层开采两种方式。整层开采方案对于实现工作面高产高效有利，但从理论上分析认为分层开采对维护下伏大巷的稳定性较为有利。因此，对两种孤岛煤柱回采方案进行数值模拟研究。整层开采情况利用前述煤柱尺寸的留设结果，也即留设3m护巷煤柱整层开采8#残留煤体。整层开采、上分层开采与下分层开采对下伏大巷围岩应力分布与塑性区分布情况见表3和表4。

表3 不同采厚对下伏大巷应力分布的影响 MPa

表4 不同采厚对下伏大巷围岩塑性区范围的影响 m

分析表3中数据发现，孤岛残留煤体开采时，巷道顶、底板承载受采高影响较小，甚至采用整层开采时顶板承载要小于分层开采方案；但采高对巷道左、右帮的应力影响较为明显，整层开采在巷道左、右形成的载荷最大，上分层开采略小，而下分层开采由于上分层已经回采，下伏大巷处于卸压区，故两帮受到的载荷最小。

分析表4中塑性区影响范围发现，整层开采与开采上分层围岩塑性区相近，两种情况下分别在巷道不同位置出现较大塑性破坏；当下分层开采时，由于受到二次采动且时间影响，下伏大巷出现较大塑性破坏区域，因此，从下伏大巷稳定性和矿井高产高效两方面考虑，认为采用整层开采较为有利。

2.4 推进速度对下伏大巷稳定性影响

研究孤岛煤柱不同推进速度对下伏大巷围岩应力及稳定性的影响，从而确定孤岛煤柱回采最优的推进速度。分别以推进速度1m/d、2m/d、3m/d、4m/d及5m/d作为实验对象，对下伏大巷的围岩稳定性展开研究，不同推进速度下伏大巷周边应力值与塑性区范围见表5。

表5 不同推进速度下伏大巷周边应力值与塑性区范围

孤岛煤柱回采推进速度从1m/d至5m/d对下伏大巷周边应力分布影响情况如图3所示，从图3中可以看出，当工作面推进速度从1m/d增加到3m/d，下伏大巷周边应力均呈现不同程度的降低，且两帮承载明显大于顶、底板承载；推进速度3m/d、4m/d变化不明显，较为平缓，当增加至5m/d时，下伏大巷周边应力又呈现出不同程度的上升趋势。因此，从应力分布情况来看，工作面推进速度3m/d、4m/d较为合理。

图3 不同推进速度时下伏大巷周边应力值

不同推进速度下伏大巷围岩塑性范围分布如图4所示，随着推进速度的增加，大巷围岩塑性区范围呈现先减小后增大的趋势。巷道两帮塑性区在可控范围之内，但顶底板的塑性破坏区域较大，需要重点防控。当推进速度是3m/d的时候，下伏大巷的围岩整体破坏深度较小，对于下伏大巷的维护最为有利。综合上述分析结果，工作面推进速度增加下伏大巷围岩塑性仍呈“X”型。根据围岩应力分布、围岩塑性区破坏情况整体考虑，当推进速度是3m/d的时候对下伏大巷较为有利。

图4 不同推进速度时下伏大巷围岩塑性范围分布图

2.5 卸压开采对下伏大巷的影响

大量理论与实践表明，当煤岩体处于极限平衡

状态条件下，煤岩体的变形具有：即使受力较小，仍然会出现大变形的特点。也即当煤岩体处于极限平衡状态时，传递载荷能力降低。为了保证孤岛煤柱回采不会对下伏大巷造成较大的采动影响，以前述已经得到的孤岛煤柱最优回采方案：留设3m护巷煤柱整层开采8#残留煤体并以3m/d推进速度为前提，采用数值模拟的方法研究8#孤岛煤柱卸压开采方案对下伏大巷的围岩稳定性的影响。

卸压开采后8#孤岛煤柱的力学参数会发生明显变化，结合体积模量K和剪切模量G与杨氏模量E及泊松比λ之间的公式：

将8#孤岛煤柱的体积模量由5GPa改变为2GPa，剪切模量由2.5GPa改变为1GPa，将调整后的8#孤岛煤柱力学参数带入数值模型以此来模拟卸压开采对8#孤岛煤体力学参数的影响，计算结果见表6。

表6 8#孤岛煤柱卸压开采前后下伏大巷围岩应力与塑性破坏范围对比

通过表6与表5对比分析8#孤岛煤柱卸压前后下伏大巷围岩应力与塑性破坏范围发现，围岩应力分布变化主要发生在下伏大巷两帮的位置，左帮降低1MPa，右帮降低1.8MPa；下伏大巷围岩塑性区分布范围变化较大的区域出现在下伏大巷顶、底板位置，顶板两侧塑性区分别减少1.4m和1.42m，底板左右两侧塑性破坏区分别降低0.6m和1.2m，通过数值模拟的方法对比分析认为，8#孤岛煤体采用卸压开采时对维护下伏大巷的稳定性较为有利。

2.6 孤岛煤柱回采对下伏大巷围岩破坏形态模拟

综合前述，将最有利于下伏大巷稳定性的8#孤岛煤柱回采技术参数进行组合：孤岛煤柱两侧留设3m窄煤柱、整层开采、孤岛煤柱回采推进速度3m/d并通过超前卸压开采的方法回采8#孤岛煤柱。通过数值模拟的方法以8#孤岛煤柱最优回采方案回采8#孤岛煤柱，得到下伏大巷塑性破坏形态特征，如图5所示。

图5 孤岛煤体开采下伏大巷塑性形态图

从大巷围岩稳定性来看，大巷围岩塑性区破坏呈现“X”型，在巷道顶板位置，左侧破坏深度为1.2m，右侧破坏深度为1.3m；大巷左帮破坏深度0.67m，右帮破坏深度0.75m；大巷底板两端发生破坏，左帮侧底板破坏2.4m，右帮侧底板破坏1.4m。

3 支护方案

受孤岛煤体开采影响，下伏大巷围岩呈现“X”型的破坏特点。在通过改善8#孤岛煤柱回采参数来提高下伏大巷围岩稳定性的同时，需要针对该类破坏形式进行锚索加强支护，以提高下伏大巷的支护效果。具体支护方案优化为：采用锚网喷支护形式，直径22mm等强右旋螺纹钢锚杆，锚杆长度2400mm，间排距700mm×700mm，呈矩形布置，当采用锚索支护时，锚索沿巷道正中和左右四角各布置一根，间距2.4m，锚索采用Φ22mm×8000mm左旋钢铰线，优化支护断面如图6所示。

图6 下伏大巷优化支护断面图(mm)

原始状态下下伏大巷围岩破坏情况如图7(a)所示，从大巷围岩稳定性来看，大巷围岩塑性区破坏呈现“X”型。在巷道顶板位置，左侧破坏深度为1.4m；右侧破坏深度为1.9m；大巷左帮破坏深度0.8m；右帮破坏深度0.9m，大巷底板两端发生破坏，左帮侧底板破坏4.2m；右帮侧底板破坏2.3m。

按前述最优回采参数回采8#孤岛煤柱且按新的支护优化方案对下伏大巷进行支护后的下伏大巷围岩破坏情况如图7(b)所示。通过两种措施进行优化后，从大巷围岩稳定性来看，大巷围岩塑性区“X”型破坏解除。在巷道顶板位置、大巷左帮、右帮、基本一致，破坏深度0.77m，大巷底板两端发生破坏，左帮侧底板破坏1.8m；右帮侧底板破坏1.2m，整个大巷围岩塑性区分布呈现均匀化趋势。

图7 原始状态与优化方案后下伏大巷围岩破坏情况

4 结 论

1)研究了孤岛煤体回采技术，包括煤柱留设尺寸、开采高度、工作面推进速度及卸压措施对下伏大巷围岩稳定性的影响，确定了最优回采技术参数，即留设3m护巷煤柱、整层开采、日进尺3m以及采取超前卸压措施回采8#孤岛煤柱。

2)在得到回采技术参数对下伏大巷围岩稳定性影响的基础上，发现下伏大巷围岩塑性破坏形态为“X”型，确定下伏大巷支护原则应以控制下伏大巷四角为主。

3)在得到下伏大巷围岩塑性破坏特征的基础上，结合实际工程背景，提出优化后的大巷支护方案。与原始状态大巷支护效果相比，优化后支护方案不仅可大幅度降低围岩塑性破坏范围，同时塑性破坏“X”型特征消失，下伏大巷塑性区破坏区趋于均匀。采用最优回采参数回采8#孤岛煤柱并按支护优化方案对下伏大巷进行支护，对下伏大巷的控制更为有利。