沿空巷道圍巖壓力特征及合理支護原則

劉永強

（晉能控股煤業集團煤峪口礦， 山西 大同 037000）

引言

在對巷道進行維護的過程中，沿空巷道是最難維護的巷道之一，主要是由于其受到來自鄰近工作面采動壓力，從而導致其維護遠高于實體巷道。沿空巷道穩定性主要由巷道圍巖壓力特征決定，主要包括：鄰近工作面采動壓力、動載作用持續時間、本工作面采動壓力的動載作用形式等。通常情況下，沿空巷道支護包括：掘進期間的基本支護、回采期間的超前臨時加強支護。由于兩者在支護原則以及要求方面存在較大的差異性，因此在進行設計的過程中需要依據巷道壓力特征進行設計。

1 支承壓力分布特征及沿空巷道的類別

1.1 長壁工作面覆巖運動特征及支承壓力分布特征

在對長壁工作面進行開采時，頂板覆巖將會進行破斷、回轉、沉降等工藝，并且形成非常復雜的覆巖破斷結構。圖1 表示相應的長壁工作面覆巖運動特征及支承壓力分布特征圖。

圖1 沿工作面寬度方向覆巖運動特征及支承壓力分布圖

由此可以看出，沿空巷道處于區段煤柱位置，在開采的過程中將會受到來自兩個工作面頂板斷層沉降影響，因此穩定性相對較差。沿空巷道設置主要通過處理煤柱寬度以及優化掘巷時間，這樣能夠有效地維護巷道的穩定性。

1.2 沿空巷道的類別

通過分析圖1 可以看出，由于沿空巷道受到來自鄰近工作面采動壓力的影響。從動壓層面進行分析，可以依據不同壓力特征對沿空巷道進行分類，進而可以選用不同的巷道支護方式以及方案。

1.2.1 按掘進時間分類

通過分析巷道掘進與鄰近回采工作面的時間關系，通常可以劃分為如下四種形式：

1）提前掘出。在鄰近工作面進行回采的過程中，已經開掘出下一個工作面服務的沿空巷道。一般情況下與鄰近工作面運輸順槽同時掘進，在實施鄰近工作面回采的過程中往往需要設置雙巷進風設置，同時便于更好地實施接下來的工作面挖掘。可是此類型的巷道往往需要承受來自鄰近工作面回采過程中各種壓力的作用：超前采動壓力、矸石壓實長期蠕變壓力、后方采動壓力等[1]。當處于后方采動壓力的過程中，由于頂板運動非常劇烈，相應的動壓數值非常大，并且對煤柱寬度敏感，因此需要設置較大的煤柱寬度，這樣才能更好地對巷道進行維護。

2）對頭或追尾施工（動壓區掘進）。由于工程連接需要，通常在相鄰工作面回采過程中，往往需要挖掘下一個沿空巷道，一般采用對頭施工和追尾施工兩種施工形式。對于處于動壓巷道而言，和第一類巷道相比較發現，其在掘進工作面與相應的回采工作面的相遇區域之間存在相同，而其他位置則與（3）類巷道類似。

3）采空區采后較短時間掘進（未穩定區掘進）。當相鄰工作面結束1～2 個月內，往往需要掘進下一個沿空巷道。該巷道在動壓特性方面并不明顯，僅僅與第一種巷道的中承受“矸石壓實長期蠕變壓力作用”情況相類似，與此同時，煤柱相對較大，以及掘進滯留時間較長等。

4）采空區采后較長時間掘進（穩定區掘進）。假如工作面接續允許，那么可以首選該布置。當前在掘進巷道后，其往往滯后相鄰工作面回采時間，因此相應的采空區矸石往往被壓實，這時在進行掘進巷道的過程可以不考慮鄰近工作面的動壓情況。可是，其依舊需要承擔固定支撐壓力的影響，那么在該狀態下煤柱寬度將成為沿空巷道穩定性的核心問題。通常情況下，選擇小煤柱，并且把巷道設置在應力降低的區域。

1.2.2 按掘進位置分類

依據巷道掘進以及鄰近回采工作面之間的關系，往往將沿空巷道劃分為如下四種：

1）煤柱相對較大，而巷道處于支承壓力影響區外原巖應力場。

2）煤柱處于中等狀態，而巷道處于支撐壓力最高位置的區域。

3）煤柱處于較小狀態，而巷道處于內應力場的作用下。

4）無煤柱，也就是沿空留巷，而巷道處于內應力場的作用下。

四種分類進行組合可以構成多種類型，圖2 表示常見的類型。通過分析可以看出，沿空巷道的動壓特征存在較大的差別，因此導致在巷道穩定性、支護方式、加固原則等存在顯著的差別。

圖2 沿空巷道典型類別與壓力特征

2 沿空巷道壓力來源與作用特征

2.1 支承壓力影響范圍外布置巷道

假如巷道設置在支撐壓力影響外，相應的圍巖壓力與實體巷道之間類似，主要表現為靜載，而相應的壓力來源可以當做原始應力場，通常存在如下兩種可能的情況：

1）單一重力作用的原始應力場，而對應的壓力來源于覆巖層的重力。

2）存在殘余構造應力的原始應力場，而對應的壓力來源于重力和殘余構造應力。

2.2 支承壓力高峰區布置巷道

當巷道設置在承壓力的最高位置時，那么相應的圍巖受到的動載應力劇烈擾動作用，主要是由于巷道掘進與鄰近工作面回采之間，表現為以下可能存在的兩個情況：

1）處于單一重力場作用下，而相應的壓力主要是由采動影響范圍巖層整體重量，往往可以達到應力場的1.5～2.5 倍。

2）殘余構造應力的原始應力場，不僅需要考慮不變原始構造應力的影響，而且還應該對頂板斷裂擾動應力波進行考慮。

3 沿空巷道圍巖合理支護原則

3.1 沿空巷道基本支護設計原則

1）當鄰近采空區域處于相對穩定的狀態，而對應的煤柱寬度處于4～6 m 情況下，對巷道支護設計分析。當巷道處于相對穩定的內應力場的作用下，煤層直接頂自重與變形壓力為支護的主要對象。由此可以看出，在掘進的過程中，對應的巷道相對容易維護。由于在內應力場的作用下，內煤層以及頂板裂隙處于發育階段，在進行支護的過程中應該防止出現局部冒頂與片幫，通常可以選用錨網支護。對于破碎圍巖而言，錨桿預緊力相對較低，因此不能較好地發揮錨桿主動加固的作用，由此必須保證錨桿預緊力是當前必須解決的問題。

2）當所掘進的位置是未穩定的采空區域時，巷道支護情況相對困難。由于沿空巷道變形較為嚴重，必須對其進行二次修復。在巷道支護的過程中，不僅需要克服大量的支護阻力，而且還需要滿足允許的縮量。該過程不僅需要相對復雜的聯合支護，而且工程量大，以及成本相對較高。

3）對于25～30 m 的大煤柱進行巷道支護時，其支護形式與實體巷道相同，而支護過程中主要由埋深及構造應力大小決定。

3.2 動壓區臨時加強支護原則（包括本工作面回采期間超前支護）

通過分析上頁圖1 工作面覆巖運動以及相應的區段煤柱受力的情況可以發現，在該工作面回采的過程中，由于沿空巷道受到鄰近與自身工作面的支撐壓力的雙重影響，那么將會導致超前支護位置的圍巖變形顯著。由此可以看出，必須對超前支護進行加固。當前，超前支護常用的形式有單體液壓支柱配金屬頂梁與底板梁相結合的支護形式；注漿錨索支護形式；自移式巷道液壓支架支護形式。其中在使用單體液壓支柱支護的過程中發現，軟巖巷道出現支護變形能力不足以及支護較多的現象，這樣不僅不能充分發揮支護的作用，而且增加工人勞動強度。對于自移式巷道液壓支架而言，在使用的過程中主要突出的問題有兩個方面：必須要求斷面面積比較大，頂板相對平整，否則將直接影響正常的移架；反復降架與升架，由于其對巷道頂板破壞相對嚴重，更有甚者將對頂板支護系統產生非常嚴重的影響。注漿錨索是最近比較新型的支護方式，當頂板破碎比較嚴重時，其能夠較好地發揮作用。從發展情況進行分析可以看出，移動式巷道液壓支架能夠在臨時加固支護方面較好地發揮作用，當前所使用的支架比較笨重，并且其對地質條件要求相對較高。由此可以看出，必須要求巷道支架能夠適應輕量化的使用要求。

4 結語

沿空巷道圍巖壓力特征能夠有效地反應巷道的穩定性，而支護則是一個輔助作用。在設計支護的過程中，必須充分考慮各種類型的沿空巷道的圍巖壓力特征，這樣才可以更好地進行巷道布置，從而可以避免出現不利的情況。基于此，需要對巷道支護進行優化處理，從而才可以滿足巷道布局的圍巖壓力特征。通常需要依據圍巖特征對基本支護以及回采過程中的臨時支護進行加強。為了能夠有效地優化沿空巷道的支護情況，通常可以選用高支護阻力液壓支架。與此同時，需要對現行的巷道液壓支架的適應性進行優化設計，通常可以將設備進行簡化以及輕量化，這樣能夠滿足各種沿空巷道動壓區臨時支護。今后，相關研究人員應該加強對沿空巷道圍巖動壓特征定量化的研究。