綜放沿空巷道不對(duì)稱破壞特征及其原因分析

張守寶，皇甫龍，陳恭昱，劉志高，陳熙凌，杜葦航

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)煤礦礦井?dāng)?shù)量由30 000 多座減少到了3 000 多座，單井生產(chǎn)的集約化程度有了大幅度提高，很多大型礦區(qū)的工作面布置都采用帶區(qū)式順序開采，這種方法在開采設(shè)計(jì)時(shí)較為方便，但是在生產(chǎn)時(shí)每一個(gè)工作面都會(huì)出現(xiàn)沿空巷道。在厚煤層開采情況下，開采空間的加大會(huì)造成采場(chǎng)采動(dòng)影響范圍加大，礦壓顯現(xiàn)程度更加劇烈[1-2]。帶區(qū)式順序開采的主要特點(diǎn)是在工作面開采后期，需要將臨近工作面預(yù)先準(zhǔn)備完成，以保障煤炭開采的有序銜接，因此，在當(dāng)前普遍采用留煤柱護(hù)巷的礦壓控制技術(shù)下，接續(xù)工作面的1 條巷道需要經(jīng)過先采工作面帶來(lái)的側(cè)向礦山壓力的嚴(yán)重影響，側(cè)向壓力的一側(cè)傳遞必然會(huì)造成沿空巷道礦山壓力的不對(duì)稱顯現(xiàn)[3-5]，加上煤礦開采深度逐漸加深，在深部會(huì)形成高度的高應(yīng)力，加劇不對(duì)稱顯現(xiàn)[6-9]。中煤王家?guī)X煤礦在采用綜放開采時(shí)沿空巷道出現(xiàn)了劇烈的礦壓顯現(xiàn)，造成巷道出現(xiàn)不對(duì)稱變形破壞，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。本文從王家?guī)X煤礦的沿空巷道不對(duì)稱破壞出發(fā)，詳細(xì)描述巷道不對(duì)稱變形的特點(diǎn)，全面分析造成巷道不對(duì)稱破壞的原因，為找尋巷道治理出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行有效的沿空巷道礦壓控制提供決策依據(jù)。

1 綜放沿空巷道維護(hù)方式與煤柱類型

綜放沿空巷道的形成方式主要有2 種，即沿空留巷和沿空掘巷，2 種巷道的形成時(shí)間為主要區(qū)別，沿空留巷巷道的形成時(shí)間是先于上區(qū)段工作面開采完成，而沿空掘巷的巷道形成時(shí)間則是后于上區(qū)段工作面開采完成。因此對(duì)于順序條帶式開采的布置方式來(lái)說(shuō)，沿空掘巷不能滿足采掘接替，所以只能采用沿空留巷方式。

對(duì)于沿空留巷的護(hù)巷方法按照有無(wú)煤柱的實(shí)際情況可分為無(wú)煤柱護(hù)巷和有煤柱護(hù)巷，無(wú)煤柱護(hù)巷需要在回采的同時(shí)采用留巷技術(shù)，保留上區(qū)段的一條巷道為下區(qū)段服務(wù)，但是在高瓦斯、漏風(fēng)量大、圍巖軟弱等困難條件下，難以實(shí)施；因此對(duì)于大型綜放面沿空留巷普遍采用有煤柱護(hù)巷的方法。

綜放沿空煤巷在使用留煤柱護(hù)巷時(shí)，煤柱按寬度可分為2 類：一類是寬煤柱，即在2 個(gè)相鄰區(qū)段工作面間留有較大距離煤柱掘進(jìn)下區(qū)段巷道，此類煤柱穩(wěn)定性較好，但資源浪費(fèi)巨大；另一類是窄煤柱，2 個(gè)相鄰區(qū)段工作面間留有較窄煤柱掘進(jìn)下區(qū)段巷道，此類煤柱按照礦壓規(guī)律將煤柱布置在應(yīng)力降低區(qū)，也能保持較好穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了資源的高效回收，因此，得到了較好的推廣和應(yīng)用。

在不同礦山生產(chǎn)地質(zhì)條件下，需要不同的煤柱設(shè)計(jì)尺寸和支護(hù)方式，才能維護(hù)煤柱的穩(wěn)定；在寬煤柱和窄煤柱維護(hù)巷道的實(shí)踐中也出現(xiàn)了由于設(shè)計(jì)參數(shù)的不合理，導(dǎo)致的巷道失穩(wěn)問題，所以需要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，總結(jié)巷道變形破壞特點(diǎn)和規(guī)律，從而推斷導(dǎo)致巷道產(chǎn)生破壞的原因。

2 綜放沿空巷道圍巖變形破壞特征

2.1 寬煤柱巷道變形破壞特征

以王家?guī)X煤礦為例，該礦主采煤層為2 號(hào)煤，煤層賦存條件較好，平均傾角為3°，屬于近水平煤層；煤層厚度6.2 m，局部含1 ～2 層夾矸；煤層上方為節(jié)理裂隙發(fā)育的2.0 m 砂質(zhì)泥巖和完整度較好的厚度達(dá)9.6 m 的細(xì)砂巖，其中細(xì)砂巖上覆巖層的主要持力層，底板為1.61 m 的泥巖。綜放煤巷的設(shè)計(jì)寬度為5.2 m，高度為3.5 m。兩區(qū)段間煤柱寬度為20 m。綜放沿空煤巷礦壓顯現(xiàn)大部分時(shí)間變形量并不劇烈，僅在上區(qū)段工作面回采經(jīng)過的階段，礦壓顯現(xiàn)才較為嚴(yán)重。

（1） 巷道實(shí)體煤幫變形量較大，局部鼓出嚴(yán)重。在采動(dòng)支承壓力影響下，實(shí)體煤幫出現(xiàn)貫通性節(jié)理裂隙，造成淺部圍巖碎裂或片幫失穩(wěn)，形成鼓包現(xiàn)象，鼓出量200～300 mm。

（2） 煤柱幫礦壓顯現(xiàn)劇烈。煤柱幫礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象相比實(shí)體煤幫嚴(yán)重。煤柱幫變形鼓出量大約300～450 mm。局部區(qū)域的大塊片幫煤體形成網(wǎng)兜后發(fā)生撕裂破壞，幫部玻璃鋼錨桿隨圍巖破壞出現(xiàn)托盤接煤不實(shí)而失效，多處煤幫脫落形成片幫，幫部錨桿懸露，支護(hù)完全失效，巷道危險(xiǎn)性加大。

（3） 頂板冒頂下沉量大。頂板整體下沉量呈現(xiàn)中間大，兩邊小，但是煤柱幫肩角處發(fā)生切落下沉，下沉量比實(shí)體煤幫量大一些。多處錨桿索支護(hù)失效，鋼筋鋼帶扭曲變形和拉斷，局部區(qū)域發(fā)生頂板漏冒，冒高一般在200～600 mm。

綜上得出，綜放寬煤柱沿空巷道在20 m 煤柱條件下，在上區(qū)段工作面經(jīng)過時(shí)出現(xiàn)了局部區(qū)域的圍巖變形破壞和錨桿支護(hù)失效，從變形特征分析上看，巷道兩幫都發(fā)生了較大的鼓出變形，但是在煤柱幫的變形量和破壞程度較嚴(yán)重，出現(xiàn)了片幫和錨桿支護(hù)失效的情況；在頂板變形方面則出現(xiàn)煤柱幫切頂，而實(shí)體煤幫僅下沉的區(qū)別；也就是寬煤柱沿空巷道的變形和破壞呈現(xiàn)出煤柱側(cè)比實(shí)體煤幫嚴(yán)重的特征，從變形量上看，具有明顯非對(duì)稱性。

2.2 窄煤柱巷道變形破壞特征

綜放窄煤柱沿空煤巷選擇煤柱寬度為8 m，將巷道位置設(shè)置于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，可以在縮小煤柱提高回收率的同時(shí)，保持巷道的變形量在可控范圍內(nèi)。但是由于煤柱較小，因此受到相鄰綜放面覆巖運(yùn)動(dòng)及其引起的高支承壓力影響就越大，以王家?guī)X煤礦為例，綜放窄煤柱沿空巷道圍巖由于采動(dòng)影響造成的變形破壞特征如下。

（1） 頂板發(fā)生顯著的不對(duì)稱變形。煤層巷道由于煤體本身節(jié)理裂隙發(fā)育和采動(dòng)影響，在巷道掘進(jìn)形成過程中，由于與相鄰工作面的對(duì)采對(duì)掘影響，呈現(xiàn)出變形的持續(xù)性。巷道在使用過程中頂板出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱下沉，其中在靠煤柱側(cè)頂板下沉量較大，最大值超過350 mm，在靠實(shí)體煤側(cè)頂板下沉量相對(duì)較小，約為150 mm；從破壞程度方面，靠煤柱側(cè)頂板破碎較為嚴(yán)重，并且破碎巖體聚集于頂網(wǎng)內(nèi)形成較大的鼓包，局部甚至出現(xiàn)錨網(wǎng)破碎，形成冒、漏頂現(xiàn)象。

（2） 頂板發(fā)生明顯的水平擠壓變形。在上區(qū)段工作面開采過后的沿空留巷區(qū)域，頂板巖層內(nèi)的采動(dòng)應(yīng)力造成頂板發(fā)生強(qiáng)烈水平運(yùn)動(dòng)，在頂板巖層下沉范圍內(nèi)，由于相互水平擠壓形成了明顯擠壓破碎帶，破碎帶一般沿巷道走向延伸，間隔一定距離出現(xiàn)，長(zhǎng)度在10～34 m；在此類水平擠壓運(yùn)動(dòng)條件下，現(xiàn)有的錨桿索垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)頂板強(qiáng)烈水平變形，造成頂板W 鋼帶嚴(yán)重下沉彎曲，發(fā)生遠(yuǎn)離頂板、鋼筋鋼帶彎曲下沉、金屬網(wǎng)破斷等，支護(hù)護(hù)表系統(tǒng)失去維護(hù)性能，嚴(yán)重降低支護(hù)效果。

（3） 巷道肩角部位發(fā)生嚴(yán)重剪切破壞。沿空巷道在側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力影響下，巷道頂板靠煤柱側(cè)的肩角區(qū)域頂煤出現(xiàn)臺(tái)階式下沉，臺(tái)階距離巷幫200～400 mm，臺(tái)階下沉量為150～300 mm，臺(tái)階區(qū)域與其它區(qū)域間有明顯的剪切滑動(dòng)破壞面，臺(tái)階內(nèi)煤巖體較為破碎，破壞了支護(hù)系統(tǒng)的正常形態(tài)，造成鋼筋網(wǎng)和鋼筋鋼帶拉伸、彎曲變形，甚至斷裂和支護(hù)系統(tǒng)損毀。

（4） 巷道受采動(dòng)影響階段多，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。窄煤柱沿空巷道自掘進(jìn)完成，先后經(jīng)歷掘進(jìn)影響期、掘進(jìn)穩(wěn)定期、上區(qū)段采動(dòng)影響期、采后穩(wěn)定期和本區(qū)段超前影響期，巷道服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，采動(dòng)影響程度高，變形量大。掘進(jìn)完成后90 d 內(nèi)，巷道變形持續(xù)發(fā)展，且時(shí)常會(huì)聽到“煤炮”聲響，巷道變形穩(wěn)定時(shí)間超過120 d，上覆巖層運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致巷道圍巖處于長(zhǎng)期應(yīng)力不平衡狀態(tài)。在前2 個(gè)階段巷道頂板變形量可達(dá)400 mm，平均變形速率為3.43 mm/d，此階段變形主要以頂板垂直變形為主，在第三、四個(gè)階段影響下，變形量進(jìn)一步增加，最大超過500 mm，此階段變形以水平破壞和垂直變形共同形成。

綜上可以得出，綜放窄煤柱沿空巷道變形過程是伴隨著開挖巷道成型開始的，其變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量大，變形特點(diǎn)主要為發(fā)生煤柱側(cè)和實(shí)體煤側(cè)差異性大的不對(duì)稱變形，不同變形階段分別產(chǎn)生垂直應(yīng)力導(dǎo)致的下沉變形和水平應(yīng)力導(dǎo)致的擠壓變形。

3 綜放沿空巷道圍巖變形破壞的原因分析

3.1 寬煤柱巷道變形破壞原因分析

在20 m 煤柱寬度條件下，沿空巷道局部出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形和破壞，發(fā)生破壞的時(shí)間多為上區(qū)段工作面經(jīng)過時(shí)，通過分析巷道所處煤層和采區(qū)的地質(zhì)生產(chǎn)條件，得出其變形破壞的主要原因包括2 點(diǎn)。

（1） 煤柱寬度不足。在寬煤柱護(hù)巷條件下，護(hù)巷煤柱寬度是決定沿空留巷穩(wěn)定性的主要因素之一，實(shí)踐表明，在該采區(qū)6.2 m 厚綜放開采條件下，采動(dòng)空間的加大造成采動(dòng)影響范圍的增加，20 m 寬度煤柱護(hù)巷在采動(dòng)影響嚴(yán)重階段時(shí)，出現(xiàn)了明顯的巷道變形甚至破壞，說(shuō)明20 m 寬度煤柱并不能有效降低采動(dòng)應(yīng)力對(duì)沿空巷道的影響。

（2） 采動(dòng)應(yīng)力影響。寬煤柱沿空巷道在掘進(jìn)影響期內(nèi)巷道變形量并不大，但是隨著上區(qū)段工作面的鄰近，巷道受到采動(dòng)側(cè)向支承壓力的影響越來(lái)越嚴(yán)重，由于寬煤柱的影響，此時(shí)側(cè)向支承壓力的方向主要以垂直應(yīng)力為主，只是由于應(yīng)力大小的不均勻性，造成了沿空巷道的變形和破壞呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱特征。

3.2 窄煤柱巷道變形破壞原因分析

窄煤柱沿空巷道在護(hù)巷煤柱為8 m 時(shí)也出現(xiàn)了較為劇烈的礦壓顯現(xiàn)，其中頂板變形的特征尤為明顯。無(wú)論是從實(shí)體煤幫到煤柱幫的不對(duì)稱變形，還是從肩角處的臺(tái)階下沉到頂板中部的擠壓—松擴(kuò)變形，都出現(xiàn)了明顯與寬煤柱護(hù)巷的不同特點(diǎn)，通過分析得出原因如下。

（1） 窄煤柱沿空巷道發(fā)生嚴(yán)重的不對(duì)稱變形原因在于采動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力在巷道圍巖上的非對(duì)稱分布，由于靠近上區(qū)段采空區(qū)，上覆巖層基本頂破斷位置更加接近巷道，造成巷道圍巖承受的側(cè)向采動(dòng)影響為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的組合集中影響區(qū)，從而形成變形破壞的不對(duì)稱。

（2） 巷道變形破壞的力源主要來(lái)源于上覆巖層破斷過程中產(chǎn)生的水平力和采動(dòng)側(cè)向垂直支承壓力。垂直支承壓力作用于頂板主要產(chǎn)生垂直變形，由于巷道位置處于應(yīng)力降低區(qū)，在巷道范圍內(nèi)應(yīng)力分布的不對(duì)稱使頂板垂直變形出現(xiàn)加大差異；另外采動(dòng)水平力作用于巷道頂板形成擠壓—松擴(kuò)變形，在擠壓區(qū)形成頂板菱角型突出，鋼帶彎折變形，在張拉區(qū)出現(xiàn)巷道拉伸破壞，出現(xiàn)裂縫。

（3） 巷道肩角處出現(xiàn)臺(tái)階下沉的原因在于巷道尖角附近為剪切應(yīng)力集中區(qū)，剪切應(yīng)力作用下巷道頂板發(fā)生剪切滑移破壞，形成沿剪切滑動(dòng)面的差異性下沉臺(tái)階。

4 結(jié) 論

在集約化條帶開采模式下，不同護(hù)巷方式的綜放沿空巷道在不同階段均發(fā)生不對(duì)稱變形破壞，通過研究和分析得出主要結(jié)論。

（1） 寬煤柱護(hù)巷條件下，巷道發(fā)生不對(duì)稱破壞主要體現(xiàn)在兩幫的不對(duì)稱鼓出和頂板的不對(duì)稱下沉，這種不對(duì)稱主要是由于煤柱寬度不足和垂直應(yīng)力的不對(duì)稱形成的。

（2） 在窄煤柱護(hù)巷條件下，巷道發(fā)生不對(duì)稱變形破壞主要體現(xiàn)在頂板的不對(duì)稱變形，具體為在頂板的臺(tái)階下沉和擠壓—松擴(kuò)變形，這是上區(qū)段采動(dòng)產(chǎn)生的水平力和垂直應(yīng)力共同作用的結(jié)果。