臨空巷道圍巖變形機理及控制技術研究

張文陽

1 前言

隨著煤炭開采深度的不斷增加，臨空布置巷道圍巖控制難度逐漸增大，在臨空動壓及工作面超前壓力的疊加影響下，臨空布置巷道變形量大、底鼓嚴重，變形機理復雜。因此控制好臨空動壓巷道圍巖的整體穩定對礦井安全高效生產極為關鍵。

近年來國內外專家學者針對臨空巷道圍巖穩定性控制做了大量的研究工作。如：于斌等針對石炭系工作面臨空巷超前支護段強礦壓顯現問題，提出實施巷道頂板水壓致裂控制技術；王濤等通過分析臨空煤柱巷道側沖擊地壓成因及煤體失穩過程，制定了利用瓦斯巷開展斷頂卸壓爆破的方案；郭曉強等基于臨空區回采巷道沖擊破壞機理，提出了降低靜載以避開支承應力集中區、削弱動載以增大傳播介質衰減指數為原則的巷道優化布置方式等等。但大多是針對臨空巷道存在的某一方面問題進行專項的分析研究，未能就臨空巷道變形問題給出綜合的、系統的治理方式。

本文以同煤集團石炭系煤層開采過程中臨空巷道圍巖變形機理分析為基礎，通過理論分析、現場實例相結合的方式提出臨空動壓巷道圍巖治理理念，并加以分析，為其他類似條件下巷道圍巖穩定控制提供科學合理的依據。

2 臨空巷道圍巖變形機理分析

2.1 巷道發生變形的主要原因

①對于臨空巷道來說，因其鄰近工作面回采后巖層垮落未穩定，不斷變化的圍巖應力極易造成圍巖變形，再加上巷道的煤柱邊緣側底板因集中應力發生變形破壞，最終造成巷道底鼓及兩幫的移近。

②臨空巷一般多為煤巷，煤的抗壓強度遠低于巖石，全煤動壓巷道的圍巖本身已受到過一次采動壓力影響，此時煤體在高應力作用下基本已達到破壞極限，后期隨著相鄰巷道的開挖擾動，兩幫的煤體因二次重疊應力影響發生較大的破壞，從而造成巷道開挖后兩幫煤體的破碎松軟。

③巷道初期支護強度低，沒有形成穩定的承載結構，后期在臨空壓力與回采動壓的疊加影響下，巷道極易發生變形破壞。

2.2 影響臨空巷道變形程度的因素

①煤柱寬度。不同煤柱寬度條件下，臨空巷道圍巖變形破壞程度也不相同。若煤柱寬度足夠大或足夠小時，臨空巷道布置在低應力區，則巷道能保持圍巖穩定；若煤柱寬度較大使得臨空巷道正好布置在高應力區，圍巖穩定性必然難以控制。

②煤層厚度。煤層厚度越大，煤柱塑性區寬度越大，相應的邊緣集中應力也越高，因此，相同的煤柱寬度條件下，煤層厚度越大，對臨空巷道動壓影響越明顯。

③臨空圍巖穩定期，臨空穩定期是臨空巷道圍巖控制的關鍵因素，穩定期越長，原鄰近工作面回采后頂板巖層垮落穩定，對臨空巷道圍巖的動壓影響減小，從而有利于控制臨空巷道圍巖的穩定。若臨空穩定期短或是無臨空穩定期，則鄰近工作面頂板垮落的動壓對臨空巷道圍巖穩定必然會有影響。

綜上可知，針對臨空動壓巷道的變形破壞特征，結合巷道變形機理研究結果可知，加強回采巷道頂板、兩幫圍巖強度和有效控制底臌是維護巷道穩定的關鍵。

3 臨空巷道圍巖穩定控制技術

結合臨空布置巷道圍巖變形的機理分析及現場實踐經驗，本文提出“避讓優先、支卸同步，加強現場管理”的綜合控制理念。

3.1 “避”

避讓優先主要是針對新盤區在設計之初需考慮的原則，其中“避”就是指科學、合理部署采掘巷道、優化采掘設計，采用新工藝、新技術源頭避開臨空動壓的影響。

①對于新建礦井、新盤區，要從設計之初即充分考慮巷道圍巖所處應力環境，抓住開拓部署源頭，超前開拓盤區大巷并調整采掘部署，為臨空巷道提供足夠的穩定期。

②礦井在制定采掘銜接的過程中，要根據儲量、盤區單雙翼布置等情況合理選擇跳采方式，確保臨空穩定期滿足要求，避開動壓影響。跳采方式如下：

單翼布置盤區實現單翼兩端跳采；雙翼布置的盤區實現兩翼跳采或是兩翼兩端跳采；戰場條件寬裕，應實現跨盤區跳采；新開拓盤區，不論單翼還是雙翼應根據具體條件實現在盤區中部布置首采面，然后以首采面為基點實現兩側跳采，或兩翼兩側四點定點跳采，避免因“跳采”而造成孤島工作面。

③實施“小煤柱”開采，將臨空巷道布置在低應力區，從源頭上避開臨空支承壓力的影響。

④根據煤層賦存及煤層厚度等條件選擇實施無煤柱開采工藝，克服臨空布置巷道的采掘交鋒問題。

3.2 “卸”

一方面是對回采工作面合理選擇卸壓手段，有效緩解臨空邊緣支承壓力，為下一步鄰近工作面的臨空巷道創造相對穩定的應力環境；另一方面是對臨空巷道實施卸壓措施，緩解巷道變形程度。

①對回采面三角區懸板與臨空側弧形懸板通過深孔預裂爆破、CO2預裂爆破以及水壓致裂等手段緩解殘余邊緣支承壓力的影響，為鄰近工作面的臨空巷道創造相對穩定的低應力環境。

②加強日常退錨管理，減小工作面兩端頭懸板面積，緩解巷道超前應力顯現。

③關于臨空巷道超前底鼓問題，應采取鉆孔卸壓、爆破卸壓、開掘卸壓槽等解危措施，降低應力集中影響區域發生底板型沖擊地壓災害，必要時對底板進行支護，降低底板沖擊危險性。

3.3 “支”

就是指多種手段并用，強支臨空巷道。對于受動壓影響的巷道，在周圍煤巖結構及支護系統多數被破壞的情況下，必須按照高預應力、強力支護理論來進行補強支護。

①在設計階段，就應充分考慮到巷道的服務對象、圍巖性質、服務年限、應力環境等因素，確保巷道在整個服務期限內其支護均合理有效。

②根據實際情況合理選擇巷道維護方式，可采用堆柱、木垛等支護形式，或使用全封閉U型鋼棚（O型棚）、巷道垛式液壓支架、巷道超前液壓支架、防沖巷道液壓支架等不同類型超前支架，切實有效解決超前主動支護問題。

③采取有效措施緩解臨空巷道超前壓力影響：一是加強對鄰空側煤柱的支護，防止其出現失穩狀態，滯后煤柱周期性失穩造成的超前來壓顯現；二是在鄰空巷道超前范圍采取加長加密單體支護、錨桿（索）支護以及木垛等措施進行補強支護。

④對臨空巷道采取固結支護措施，一是對臨空側煤柱本體進行注漿加固；二是對臨空側遺留三角空硐進行充填固結等措施，緩解臨空壓力對巷道圍巖穩定性的影響。

3.4 加強現場管理

①加強工作面采煤工藝管理，確保工作面“三直兩平兩暢通”。同時加強機道、端頭以及超前的頂板管理，確保初撐力、端頭柱、關門柱以及超前支護等規范有效。

②加強工作面支架初撐力管理，確保支架接頂嚴密、初撐力合格，防止采場空間支護失穩，從而造成切頂線前移、煤壁炸幫以及超前壓力顯現明顯。

③巷道起底必須保證巷道高度，滿足通風、行人、運輸及端頭支架正常移設的要求。

4 工程實踐

（1）同煤集團塔山礦8101工作面位于一盤區，于2016年8月開始回采，煤厚20 m，傾向長度230 m，走向長度1 000 m。相鄰工作面于2013年回采結束，面間煤柱按8 m留設，回采期間臨空巷道變形量較小，底鼓量僅0.3 m～0.8 m，頂板下沉量較小，兩幫基本無變形。但一盤區8111工作面按38 m面間煤柱留設，回采期間臨空巷道超前范圍因動壓影響變形嚴重，底鼓量達1.8 m，兩幫移近量達2 m，嚴重影響正常的行人通風。

（2）同煤集團同忻礦8202工作面于2016年8月開始回采，煤厚20 m，傾向長度200 m，走向長度1 900米。相鄰的8203面于2016年2月回采結束，面間煤柱按38 m留設，無臨空穩定時間，且掘進期間存在采掘交鋒，回采期間臨空巷道超前范圍因動壓影響變形嚴重，底鼓量達2.2 m，兩幫移近量達2.5 m，嚴重影響正常的行人通風。但后期通過在巷道內實施水壓致裂，將臨空側頂板致裂卸壓，當工作面采至水壓致裂區段時，臨空巷道變形量明顯減小，底鼓量僅為1.2 m，兩幫移近量最大僅為1 m，有效的控制了臨空巷道的圍巖變形。

5 結論

通過對臨空巷道變形機理進行分析可知：

（1）臨空巷道易發生變形的主要原因可歸納如下：鄰近煤層圍巖變形引發動壓；本工作面采掘擾動引發動壓，再加上巷道初期支護強度低以及煤體本身強度較低等原因，造成臨空巷道變形嚴重。

（2）結合臨空巷道變形機理分析，本文提出“避讓優先、支卸同步，加強現場管理”的控制理念。系統的對臨空巷道進行全過程的治理，確保臨空巷道圍巖的整體穩定。