沿空留巷圍巖變形特征及支護技術研究

耿炳偉

（汾西礦業集團公司賀西煤礦，山西 柳林 033300）

煤炭是我國能源的一項重要構成部分，其對我國經濟發展能夠起到一定促進作用。在煤礦在開采期間，通常會采取保留煤柱方式，維護區段內巷道，這一方式會造成一定損失，為了減少損失，提高煤礦開采的經濟效益，要加強對無煤柱護巷的研究，這一方面可以提高煤礦開采效率，另一方面還能夠降低安全事故發生幾率。

1 沿空留巷圍巖變形特征

沿空留巷和回采工作面都在采空區和煤體邊界交界處，兩者存在相同支護荷載和圍巖變形特征，回采作業面推進會對巖空留巷頂板和兩幫受力造成的具體影響。不同礦區地質開采條件會存在一定差異，但是圍巖整體變形規律是一致的，只是整體變形情況會存在一定差異，某煤礦巖空留巷圍巖結構，如圖1所示。

圖1 某煤礦巖空留巷圍巖結構情況

回采工作面的接近與遠離，沿空留巷圍巖會經歷由穩定到強烈活動，再到穩定的一個過程，實際變形特定主要可以劃分為以下幾個階段：

1.1 掘進影響

巷道開掘會導致煤巖體原有應力平衡狀態，考慮到圍巖應力會發生失衡現象，這會使巷道圍巖發生變形，應力會重新分布[1]。

1.2 掘巷穩定

掘巷作業停止后，重新分布圍巖應力，而且會逐漸停止，而且能夠使應力再次平衡狀態，圍巖變形量也會隨著時間推移會不斷減小，而且能夠不斷趨于穩定。

1.3 采動影響

工作面受回采強烈擾動影響，巷道圍巖應力平衡狀態將會被再次打破，而且需要重新分布[2]。應力集中在巷道兩側，以及作業面前方圍巖，圍巖應變形將會快速增大，變形速度將會位于峰值區，這將會使巷道支護與巷旁支護荷載處于最大值，但是圍巖變形量和速度都會由于支護和圍巖條件而呈現出不同狀態。

1.4 重新穩定

隨著回采工作面推進逐漸遠離，由于開采擾動對于巷道頂板造成的影響會不斷減弱，而且煤幫一側支撐壓力也會不斷降低，頂板巖層沉降量，以及沿空留巷圍巖變形量將會逐漸降低，最終將會處于穩定狀態[3]。

2 4215 工作面沿空留巷圍巖變形情況

某煤礦的4215 工作面煤層平均厚度約為2.52 m，埋深深度在398.5～402.6 m 之間，斷面形狀為一個高度為3.35，寬度為2.84 m 的矩形，對工作面的具體情況進行觀察可以確定，超前影響范圍在0～16.8 m 以內，而且變形出現在工作面0～21.5 m 以內，以低鼓、頂板下沉和兩幫移近為主。

觀察工作面后方留巷段兩側頂板受回轉變形具體情況的影響，這會導致下沉量出現不同情況，受應力作用影響，采空區側頂板會發生下沉量，致使實體煤幫會多下沉約32.2 m，隨著開采作業的進行，工作面推進，會重新分布應力，總的來說，在頂板下沉量位于工作面后方32.6 m，能夠處于相對穩定狀態。觀察頂底板變形量的實際情況能夠發現，采空區頂板出現回轉變形，這將會導致頂板上形成附加水平應力，從而使底板、頂板水平應力在工作面8.5～32.8 m 范圍內相對集中，出現顯著變形，而隨著時間推移，工作面持續推進，在工作面32.8 m 后，底、頂板以為應力重新分布原因，變形將會逐漸區域穩定狀態。

受頂板回轉變形和支撐壓力等各項作用影響，煤幫與填充體應力會升高，針這一結果表明，通過加強支護方式處理，能夠起到一定保護作用。

3 頂板控制設計原理與控制方案分析

3.1 設計原理

通過對圍巖變形情況進行分析可以發現，出現的變形會對巷旁填充體、頂、煤幫、頂板等各項內容造成影響，因此，要針對實際情況，采取合理措施支護巷內以及巷旁填充體，針對巷內具體情況的基本支護、加強支護，以及巷旁的基本支護可以形成一個支護系統，確保圍巖的實際變形情況，在不同時間和空間上都能夠得到合理控制。通過對上述各項因素進行詳細分析，最終確定為了使支護作用能夠得到合理發揮，最終決定針對4215 工作面采取下列措施對留巷進行支護[4]。

1）針對巷內要進行加強支護，通過這一方式能夠提高主動支撐力，實現對底板下沉情況，以及錨固區內頂板離層情況的合理抑制，避免采空區側內的頂板發生斷裂現象。

2）對于巷內來說，需要做好基本支護和加強支護兩項工作，考慮到頂板巖石離層擴容主要集中在巷道內，因此，在具體設計時，要在巷內錨桿與補強錨索相互配合，通過這一方式能夠實現對頂板完整性的保護，避免由于保護不到位，導致頂板發生變形，對后續開展作業造成不良影響，引發事故[5]。

3）通過對高水材料填充方式，完成對巷旁支護，通過填充方式，能夠提高支護強度，科學分析設計力學參數和填充幾何體，快速開展相應施工作業，提高填充強度，從而使巷旁支護強度，以及抵抗變形能力能夠得到進一步提高。

4）采用錨桿支護能夠實現對煤幫鼓出具體情況得到有效控制，同時，通過頂板錨桿支護可以實現對頂板斷裂情況的控制，斷裂線能夠逐漸向煤壁內方向轉移，從而避免頂板發生嚴重下沉，以及回轉等不良影響，確保巷道能夠保持穩定。

5）做好支護作業，充分發揮支護起到的阻力作用，避免頂板在后續作業中發生嚴重下沉，而且能夠為切頂提供便利條件，進而使頂板整體受力情況能夠得到進一步改善。

通過對4215 工作面的整體情況進行分析可以確定，巷內基本支護、巷旁支護強度針對整個工作面的留巷頂板控制來說意義重大[6]。因此，相關工作人員為了實現對頂板情況的科學管理，需要選擇符合需求的支護方式，為了實現對圍巖情況的有效控制，最終決定采取錨網索+鋼筋梯+對拉錨桿+單體支柱與鉸接梁相互配合方式進行支護。

3.2 控制方案

依據該礦4215 工作面的具體地質情況，對4215回風巷，開展高水材料巷旁填充試驗，考慮拉應力帶來的具體應用，針對填充區的直接頂補打采用長度為2.48 m 的錨桿，而采用的錨索長度為6.52 m，具體巖體控制方案如下：

1）在進行巷內支護時，設置1 排4 根的頂板補強錨索，在靠近頂板75 cm 處錨索布置采取向上傾斜12°方向進行，同時，靠近頂板75 cm處布置垂直煤幫。

2）對于填充區域直接頂支護，采取左旋無縱筋螺紋錨桿，具體布置時間距為78 cm×78 cm，而對于靠近采空區一側錨桿，在進行布置時，應當采取傾斜15°方式完成，針對其他垂直頂板，在搭設時，應在每2 排錨桿中間布置2 根錨索，從而達到補強支護目的。

3）巷旁填充采用的填體材料為高水材料，其水灰比為3∶2，具體填充時，要依據割煤刀數對具體填充長度進行確定，每4 刀要進行一次煤填充，與此同時，為了進一步提高填充體支護強度，需要在內部預埋對拉錨桿。

4）進行巷內臨時支的核心目的就是緩沖煤體可以達到預定強度需要的時間，通過對高阻力進行應用，實現對頂板下沉情況的有效阻止，此外，要在工作面80 m 范圍內布置單體液壓支柱，一共布置3 排，間距為160 cm，并且在該基礎上，與鉸接梁進行配合，從而達到提高支護強度目的。

3.3 支護效果

完成4215 工作面回風巷施工作業后，指派專人對巷道圍巖發生的位移情況進行全面監測，具體監測點主要分布在工作面超前，以及工作面后方，在實際作業開展時，將測點三作為中點，在測點兩側分別布置了兩組測點，每一組測點應對間隔18.5 m，通過監測可以確定留巷圍巖發生的變形情況與距工作面距離之間呈正相關。通過對工作面后方情況進行觀察可以發現，巷內支護與采空區填充和巷旁支護都是隨著時間推移逐漸形成，并且圍巖變形逐漸處于穩定狀態，這一結果表明本位采取的支護方式對于控制圍巖穩定性來說，取得了不錯效果，采取這一支護方式是可行的。

4 結語

沿空留巷能夠大幅度提高煤炭回采率，從而減少開采過程中，巷道開挖量的一項合理措施，因此，在廣大煤礦企業中，可以加強推廣。同時，相關工作人員要提高對沿空留巷圍巖變形，以及相應支護措施對研究，采取適當方式進行適當改進，完善支護技術，保證沿空留巷生產作業能夠順利、安全進行。