沿空留巷圍巖變形特征與控制技術

楊必榮

（國家能源集團神東煤炭集團錦界煤礦管理處，陜西 榆林 719319）

沿空掘巷是目前煤炭開采最為重要的形式之一，其能夠顯著提升采出率，同時實現工作面安全高效的回采。但是隨著煤礦開采深度的不斷增加，地質條件復雜性逐漸增加，加上圍巖具有松散以及蠕變特性，在完成上區段相鄰工作面回采之后采空區上覆巖層沒有穩定，留存的殘余壓力容易引發沿空巷道發生較大的變形，因此需要分析其變形特性，并采取針對性的控制技術確保其穩定性，降低安全隱患。

1 案例基本概況

某礦工作面屬于二1煤層I盤區，其具體參數指標如表1所示。采取沿空掘巷，上幫和工作面采空區之間留置30m的保護煤柱，在進行回采時會受到采空區側向支承壓力的影響。具體布置情況如圖1所示。

表1 煤層具體參數

圖1 巷道布置情況

2 巷道原有支護情況介紹

對于11021工作面來說，其上順槽巷道的斷面尺寸為3.2m×4.6m（高×寬），凈斷面的面積達到14.72m2。按照巷道的具體情況設置支護形式，具體為錨網+16#槽鋼梁+W型鋼帶+鋼筋梯，同時為了進一步提升巷道的抗壓強度，也要設置單體液壓支柱或叉子棚。

（1）錨桿尺寸。錨桿具體規格如表2所示。

（2）槽鋼梁錨索規格。槽鋼梁錨索具體規格如表3所示。

表2 錨桿規格

表3 槽鋼梁錨索規格

（3）托盤規格。托盤采用16#槽鋼梁（長度為 4200mm）、 鋼 板（12mm×120mm×120mm、12mm×80mm×80mm）以及木墊板（50mm×120mm×120mm）配合使用。

（4）金屬網片。采用Φ6mm的鋼筋焊接而成，并且在其表面鋪設1000mm×1900mm的金屬網片，每一格通過14#鉛絲進行綁扎。

3 巷道圍巖變形特征

可以通過巷道表面的位移情況來反映出巷道穩定性，再通過測試得到巷道圍巖變形曲線情況，分析總結如下：（1）一旦和工作面距離超過35m，巷道的圍巖總體上并不會受開采活動的影響，圍巖的變形情況和距離工作面的距離呈現出負相關性，越接近于工作面巷道的變形就會越劇烈。產生此現象的主要原因在于工作面煤體會受到支撐壓力方面的影響，一旦壓力過大就會造成煤體的壓裂破壞，隨著裂隙的增加應力會逐漸向煤體深處擴展。（2）觀察現場的實際情況可知，上幫出現了較為嚴重的變形，煤體也出現了破碎的情況，這說明煤柱側變形的速度要超過實體煤幫變形的速度。（3）根據圖紙可知，距離回采工作面25～35m的區域，兩幫以及頂板圍巖的變形速度明顯加快；距離工作面5m位置，巷道兩幫和頂板變形速度達到了最大值。在此區域內部的覆巖具有非常強烈的活動，隨著工作面的不斷發展，上覆巖體逐漸產生彎曲變形、下沉的情況，隨著變形的增加巖體會產生破壞。受到自重和支護體所形成的切頂阻力影響，采空區側的基本頂會產生破斷現象。在回采速度比較慢的情況下，巷道會發生比較嚴重的變形，此時煤壁也會產生相應的片幫現象。（4）回采會對11021工作面上順槽距工作面100m范圍造成較大影響，在圍巖收斂最為嚴重的情況下，斷面收縮率超過了60%，無法實現正常的工作面運輸、通風以及正常通行，這直接威脅著工作面生產的安全性。

4 沿空留巷圍巖破壞的原因以及控制技術

4.1 沿空留巷圍巖破壞的原因

第一，由于工作面具有較大的埋深（達到-682m），會引發比較高的地應力。該區域具有比較復雜的地質構造，特別是次生小斷層發育會造成地應力較為集中；第二，通過參考地質構造柱狀圖可知，頂板圍巖具有比較高的應力和膨脹性，并且屬于節理化復合型軟巖。其底板屬于煤層，該區域較為松軟并且容易產生變形，在進行回采時非常容易受到強動壓的影響，這些動壓會破壞已有的應力平衡，從而使圍巖發生變形；第三，巷道一幫屬于塑性狀態的保護煤柱，另一幫屬于實體煤，在進行回采時，頂板巖層的撓曲運動會造成支承壓力的全新分布。巷道處在采空側的應力區，煤層上側的頂板會按照相應的垮落角度依次向采空區擴展，從而形成組合懸臂梁結構。這樣露出的頂板以及某些覆巖重量會轉移到實體煤上，老頂以給定的變形方式作用在采空側的煤體上，這樣就會在煤體邊形成相應寬度的松弛區和塑性區。一旦實體煤側圍巖受到破壞，那么受到高支撐壓力的影響就會形成向巷道內部塑性流動，從而造成了非常劇烈的變形。

4.2 巷道圍巖的控制技術

為了確保11021工作面沿空巷道具有充足的安全斷面，能夠保證其回采的安全性，需要對其支護方式進行升級優化，可以采用“超前液壓支柱+幫部槽鋼梁錨索”的復合支護方式，具體操作方式如下：第一，以往的超前支護方式主要是利用“單體液壓支柱+II型鋼梁+工鋼底梁”的方式來進行的，但這種方式已經很難滿足先進巷道圍巖的控制，同時此種支護方式還會消耗大量人力、物力，因此需要對其進行優化。可以在超前工作面30m位置采ZT24500/18/35型超前液壓支架來進行支護。一般情況下兩幫各設置2架，以此進行超前支護，確保巷高可以達到3500mm。第二，為了有效處理底鼓較為嚴重的區域，可以采取人工臥底的方式，確保巷高能夠達到3500mm，以便液壓支架能夠正常通行。同時對于片幫較為嚴重區域實施刷幫，以此保證巷道最小斷面可以滿足安全生產的需要。第三，為了進一步提升煤柱幫的穩定性，需要對巷道內部局部斷錨索以及斷錨桿區域補打點錨索，錨桿實施補強支護。對于頂板出現較明顯的離層以及下沉較為嚴重的區域來說，可以通過“錨索+工鋼梁”的方式進行支護；對于兩幫片幫較為顯著、收斂較嚴重的區域可以通過槽鋼梁錨索實施加強支護，另外需要對已經發生破損的金屬網實施補網以及聯網。

5 應用效果和結論

為了明確控制技術的可行性以及具體效果，需要在距離工作面50m區域內設置3個測點，以此測定巷道圍巖的變形情況，能夠得出具體變形曲線，其基本的情況分析如下：第一，在工作面前部30m位置架設超前液壓支架之后，能夠顯著降低頂板的下沉速度，使得曲線較為平緩。累計下沉量最大值為250mm，相對于原有支護方案來說，下沉量有了非常明顯的降低（150mm）。第二，通過對幫部補打錨索以及錨桿后，能夠有效減小兩幫相對移近的速度。累計移近量的最大值為350mm，相對于原有支護方案來說，累計移近量有了非常明顯的降低（400mm），取得了較好的效果。第三，采取上述控制技術后能夠將斷面收縮率從62.4%降低到40%，從而有效控制巷道變形情況。

通過實施“超前液壓支柱+幫部槽鋼梁錨索”的復合支護方式后，沿空留巷圍巖的斷面收縮率有了非常明顯的下降（從62.4%降低到了40%），并采取相應方式有效控制巷道變形，可在減少人工投入的同時有效保障工作面的安全性。

6 結束語

文章主要以某礦為例分析了沿空留巷圍巖變形的情況，對其變形原因進行了分析，在此基礎上提出了“超前液壓支柱+幫部槽鋼梁錨索”的復合支護方式，并通過實踐分析了具體效果。通過文章的介紹能夠對巷道圍巖變形控制提供一定參考和幫助，對于確保工作的安全性具有現實意義。