沿空留巷圍巖受力變形特征及支護措施研究

張經緯

（汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300）

0 引言

社會進步與經濟發展使煤炭資源需求不斷增多，加強對煤炭資源開采相關技術的探究，目的就是確保開采作業順利進行。從我國煤炭行業的整體發展情況來看，很長一段時間都采取保留煤柱方式維護巷道，這一方式會導致區段煤柱受損，損失量巨大，會造成嚴重經濟損失。為了使這一問題能夠得到解決，人們加強了對無煤柱護巷的研究，采取這一方式開采，一方面可以提高開采效率，另一方面對于確保開采安全性也發揮著重要作用。

1 沿空留巷施工特點

沿空留巷施工的具體特點主要體現在以下幾個方面：

1）能夠在無煤柱情況下，完成相應開采作業，采取這一方式完成相應開采作業，能夠提高開采作業中，回收煤炭資源效率，降低開采難度，提高經濟效益。

2）開采作業中能夠減少巷道挖掘量，這在一定程度上能夠提高巷道挖掘效率[1]。

3）開展工作面回采時，采用Y 型通風系統，可以避免發生瓦斯聚集現象，以免發生爆炸事故，造成巨大經濟損失，以及人員傷亡。

4）處理煤柱護巷下發生的應力集中不良現象，從而有效減小開采下部煤柱時，對巷道支護造成的不良影響，并且能夠讓巷道位于應力降低區，保證整體開采作業順利進行[2]。

2 煤礦工程概況

某煤礦主采區煤層為4#煤層，在實際開采時，采取房頂煤方式，通過對整個煤層進行分析可以發現，煤層整體埋深約為408.5 m，平均厚度約為6.83 m。煤層之間內存在軟弱夾層，對該夾層進行厚度進行觀察，確定其平均厚度在0.26 m 左右。煤層直接頂以泥巖為主，局部存在砂巖和粉砂巖，直接頂厚度在0～12.5 m 之間，整體巖層裂整體狀態較為發育，整個圍巖性質相對較差。對于煤礦區域內老頂情況進行分析可以發現，該區域主要以砂巖為主，平均厚度約為8.15 m，通過對這一區域情況進行分析可以發現，內部是由大量泥化物質填充而形成。對于該區域的煤層淺部底板進行分析可以確定，該區域以砂質泥巖為主，最大厚度約為2.52 m，下面為砂巖巖層，整體強度較高。一些礦井在實際開采時，會采取U 型通風方式，如圖1 所示。工作面兩巷隅角經常會發生瓦斯超限現象，如果不做好控制，將會發生事故。為了消除瓦斯超限帶來的不良影響，將對通風方式進行調整，采取Y 型通風方式取代傳統U 型方式，運輸巷在本區工作面回采期間要保留下來，將其作為下區段工作面回風應用，保證整個開采作業順利進行。通過分析礦區地質情況與開采需求，W2410 工作面回風巷采取柔性支護方式，整個斷面是一個矩形，長度約為1 965.2 m，凈高度約為4.2 m，凈寬高約為4.9 m，具體支護時采取錨網連鎖方式。

圖1 U 型通風方式

3 沿空留巷圍變形特征與支護優化設計

3.1 沿空留巷圍變形特征

3.1.1 圍巖應力分布情況

針對沿空留巷情況進行分析可以確定，其中一側為實體煤幫，而另一側為填充體。實際開采作業期間，隨著時間推移，老頂巖層受開采作業影響，將會發生斷裂現象，從而形成規則塊體，而出現的砌體梁結構是受塊體之間相互擠壓而成采空區，一共形成了三個關鍵塊，由左到右分別記作M、N、P。

針對軟弱頂板的開采情況來看，采空區直接頂覆巖會隨著開采作業進行而發生下落，冒落矸石為關鍵塊N 和關鍵塊P 兩者位于采空區的緩沖層和支撐點。其中存在的關鍵塊N 可以在回轉角相對較小情況下，能夠與關鍵塊M和關鍵塊P 共同組合成為相對穩定的拱結構，保證結構不會出現塌陷等問題[3]。

對于厚硬頂板沿空留巷來說，厚硬頂板在實際開展作業進行時，受外界各項因素影響，能夠形成一個相對穩定的砌體梁，對于關鍵塊B 長度可以依據現場實際測量結果，也可以按照直接頂極限跨距進行確定。

對關鍵塊N 破斷長度進行分析可以發現，其較長，在實際開采期間，隨著采煤工作面推進，關鍵塊N會不斷向巷道圍巖施加應力，這一狀態在觸底達到穩定狀態前，能夠一直持續下去。在這一情況下，關鍵塊N 與采空區靠近一側，不能破碎矸石緩沖，在這一情況下，通過對底板進行應用，能夠直接支撐，填充體則會由于荷載變大而發生較為嚴重的變形現象。

通過對工作面推進情況進行分析可以確定，基準面垂直方向的應力將會出現顯著改變，而煤幫側的垂直應力將會隨著工作面推進而發生改變，一般來說，這一應力變化為先增大再減小，通過分析可以確定，致使這一現象出現的原因是由于采空區會隨著時間推移增大，煤體會呈現出現壓縮再變形特點，而應力則會先聚集然后釋放[4]。而柔模側，會持續增加垂直應力，造成這一現象是由于采空區變大，墻體應力會持續加大，通過對比可以看出，柔模側垂直方向與煤壁側垂直相比，應力更大。

3.1.2 沿空留巷圍巖應力模型

對巷幫煤體和覆巖層煤體，在具體支護上采取錨網聯合方式進行，通過分析可以發現，采空區一側會出現懸臂梁結構，通過對這一結構進行分析可以確定，該結構的整體穩定性主要是由巷旁填充支護體、巷道圍巖結構的具體強度決定。從實際情況來看，如果煤幫強度較小，則會導致破碎程度偏大，巷旁支護主力較小，若實際開采作業時，不能及時切頂，這將會導致開采現場的單懸梁較長，難以確保該梁穩定性是否可以達到要求標準。對于現場的懸臂梁受力情況進行分析，最終可以確定其受力情況如下：上部覆巖施加載荷、巖體重量，記作G1；巖體承載力，記作G2；實體煤幫支撐力，記作G3；巷旁支護阻力，記作G4；巷道內部排單體液壓支柱在應用時的承受的力，記作G5；頂板斜打錨索懸吊作用力，記作G6。

巷旁的實際支護情況與具體支護形式會沿空留巷懸臂梁結構的整體穩定性造成直接影響。如果沒有巷旁支護，在巷道所在區域會出現一個卸壓區，這一區域會以三角形的形式出現。針對出現這一現象的原因進行分析，可以發現該現象主要是由于懸臂梁結構存在于工作面巷道上方，老頂結構發生旋轉，這將會導致整個結構在開采作業時出現下沉現象，受現場布置的關鍵塊支撐支護和錨網影響，實體煤幫會發生破壞，出現斷裂現象[5]。需要相關工作人員注意的是，若巷旁支護體強度較低，將會導致巷道頂板發生下沉，同時還會出現離層，這可能會導致懸臂梁結構出現斷裂現象，形成斜跨梁結構，而且上方關鍵塊將會出現一個跨度較高的斜跨梁結構[6]。從理論上來說，若巷旁支護強度高，切頂效果好，而且頂部質量良好，不會產生縫隙。可見，在現有條件下，懸臂梁結構較為穩定，但是老頂斜跨梁結構會出現偏移。

3.2 支護優化設計

通過對這一煤礦的工作面進行分析可以發現，在實際開采期間，工作面后方，以及穩定區柔性膜支護區間的錨桿軸力都不會發生較大改變。在這一狀況下，分析柔膜支護后巷道圍巖情況，可以發現具體變化呈現出了非均稱特征，因此，對于采用的巷道支護方案，要提高煤幫側頂板和煤幫支護的具體強度，同時，減小柔膜側錨桿支護的具體強度，通過這一方式，實現對圍巖出現的各種有害變形有效控制，保證后續開采作業順利進行，以免發生安全事故，造成經濟損失，以及人員傷亡[7]。

針對巷道支護參數，在進行優化時，為了保證設計的合理性要采取非均稱支護設計理念，以巷道中心為基準線，降低柔膜側幫部錨桿密度，而且要進一步提高采用的錨桿支護強度，降低巷道支護成本，提高經濟效益。此外，還應當在確保煤幫支護密度不會發生變化基礎上，增加煤幫的實際支護強度，以及煤幫側錨桿預緊力，避免煤幫發生嚴重變形。針對該煤礦來說，采取上述方案進行支護，從實際情況來看，雖然降低了支護密度，但是增強了支護整體強度，這可以控制好圍巖變形情況，以免發生較為嚴重變形現象，而且能夠降低維護成本。

4 結語

巷道變形主要以底板、頂移量為主，而通過分析，掌握巷道實際情況，采取合理方式進行支護，能夠實現對圍巖有害變形的有效控制，從而確保后續開采作業順利進行，避免發生安全事故。