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作者

陈学亚¹ , 张宁波² , 刘立明¹ , 陈宝宝³ , 付世雄¹

单位

1. 山西临县华润联盛黄家沟煤业有限公司，山西 晋中 045300

2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116

3. 安徽理工大学 煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室，安徽 淮南 232001

摘要

针对遗留煤柱扰动与薄间距岩层条件下动压巷道高应力承载引发的大变形难题，以黄家沟煤矿10102运输平巷为工程背景，建立了遗留煤柱-多状态薄层间岩层作用下的底板应力传递模型，阐述了目标巷道内不同压裂角下应力转移与煤体滑移特征，确定了基于应力源头和传递路径控制的压裂参数，并在现场进行压裂切顶卸压。研究表明：遗留煤柱对底板影响以垂直应力为主，其增压在采空区裂隙岩体劣化承载与碎胀岩体阻隔传载效应下形成了8+9煤底板施载区，并对10煤回采巷道产生附加应力，确定了应力集中边界线敏感角。层间岩层压裂弱化改善了切顶线下方应力环境，降低了遗留煤柱承载与采动应力向10煤煤柱传递程度，确定了等效压裂弱化宽度7.5m。切顶角45°压裂对应层间岩层水平压裂距离12.5m，目标巷道围岩的垂直应力、变形量及煤柱滑移程度达到最小。在现场以45°压裂角实施压裂后，压裂缝网贯通发育，有效实现了预裂切顶。顶底板与两帮变形量较常规条件分别下降了60.1%和65.5%，提高了围岩稳定性，保障了工作面高产高效。

背景

随着煤矿开采深度与强度的持续增加，受多煤层采动应力场叠加效应影响，深部巷道围岩控制已成为制约矿井安全高效生产的关键技术难题。本文以黄家沟煤矿10102运输平巷强矿压显现问题为工程背景，该巷道位于埋深280m的10煤层，采高4.0m，顶底板均为低强度泥岩与砂质泥岩复合结构。现场揭露其特殊地质条件表现为：上部8+9煤8101/8102采空区形成约14.5m的近距离覆岩结构，底部45m处存在5+6煤遗留煤柱群，工作面北侧保安煤柱与南侧采区西翼轨道大巷形成双向围岩约束，特别是5+6煤20m宽遗留煤柱与10101工作面区段煤柱形成双重应力集中区。现场监测显示，受10101工作面超前采动与5+6煤遗留煤柱底板应力场耦合作用影响，10102运输平巷围岩呈现显著的非对称大变形特征，最大变形速率达15mm/d，锚杆（索）结构出现36%的拉剪复合失效率。尽管已采取"单体支柱+木垛+补强锚杆“联合支护方案，但巷道顶板下沉量仍超过500mm，两帮收敛量达800mm，传统支护体系难以适应高应力动态加载环境。工程实践表明，单纯依靠被动支护无法有效解决深部复杂应力环境下的围岩失稳问题，亟需建立基于应力场调控的主动控制技术体系。本文通过开展顶板弱化控制技术研究，旨在揭示复合煤柱群应力传递机制，提出多场耦合作用下巷道围岩应力优化方法，为类似地质条件下的深部巷道支护设计提供理论依据与技术参考。

研究内容

1 工程概况

2 遗留煤柱下底板应力环境及转移方位分析

2.1 遗留煤柱荷载分布特征

2.2 遗留煤柱-采空区传载下多状态层间岩层应力分布

2.3 基于遗留煤柱应力扰动的压裂参数确定

3 遗留煤柱下压裂岩层卸压模拟

4 现场试验

4.1 水压波动与裂缝扩展特征

4.2 巷道围岩控制效果分析

结论

1）依据煤柱分区承载结构模型，计算得到5+6煤煤柱的均布荷载12.2MPa。煤柱对底板的应力影响以垂直应力为主，其值随底板深度的增大而减速衰减，垂直与水平应力最大值出现在煤柱中心正下方。

2）8+9煤采空区运移岩体劣化-碎胀岩体阻隔效应降低了底板应力集中，确定了以垂直应力为主的8+9煤底板施载区均载及作用宽度，得到了10102运输平巷柱帮底角的垂直和水平应力增量分别为2.3MPa和1. 2MPa, 巷帮应力增长明显。采用切顶卸压弱化层间岩层结构与切断应力传载路径是控制巷道变形的重要措施。

3）8+9煤采空区底板应力集中诱发回采巷道高应力状态的边界线敏感角为33.5°，得到10煤层间岩层水平压裂弱化范围为12.5m。考虑到8+9煤采动破坏深度，确定了压裂角为45°。模拟中压裂角45°时目标巷道围岩的垂直应力与变形量显著下降，煤柱中煤体滑移程度占比达到最小，实现了应力转移护巷。

4)）在10102运输平巷实施45°压裂后，压裂缝网贯通发育，伴随邻孔漏水与近区锚索渗水，得到有效压裂范围为9~14m。目标巷道围岩两帮和顶底板变形量较未压裂段分别下降65.5%和60.1%，能够满足工作面正常回采需求。

图表

引用格式

陈学亚，张宁波，刘立明，等. 遗留煤柱扰动下薄间距动压巷道压裂卸压护巷技术研究 [J]. 煤炭工程,2025,57(1): 42-51.

CHEN Xueya,ZHANG Ningbo,LIU Liming,et al. Fracturing pressure relief roadway protection technology of thin spacing dynamic pressure roadway under disturbance of residual coal pillar [J]. Coal Engineering,2025,57(1): 42-51.