臨空巷道圍巖變形機(jī)理及控制技術(shù)研究

張文陽

1 前言

隨著煤炭開采深度的不斷增加，臨空布置巷道圍巖控制難度逐漸增大，在臨空動壓及工作面超前壓力的疊加影響下，臨空布置巷道變形量大、底鼓嚴(yán)重，變形機(jī)理復(fù)雜。因此控制好臨空動壓巷道圍巖的整體穩(wěn)定對礦井安全高效生產(chǎn)極為關(guān)鍵。

近年來國內(nèi)外專家學(xué)者針對臨空巷道圍巖穩(wěn)定性控制做了大量的研究工作。如：于斌等針對石炭系工作面臨空巷超前支護(hù)段強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題，提出實(shí)施巷道頂板水壓致裂控制技術(shù)；王濤等通過分析臨空煤柱巷道側(cè)沖擊地壓成因及煤體失穩(wěn)過程，制定了利用瓦斯巷開展斷頂卸壓爆破的方案；郭曉強(qiáng)等基于臨空區(qū)回采巷道沖擊破壞機(jī)理，提出了降低靜載以避開支承應(yīng)力集中區(qū)、削弱動載以增大傳播介質(zhì)衰減指數(shù)為原則的巷道優(yōu)化布置方式等等。但大多是針對臨空巷道存在的某一方面問題進(jìn)行專項(xiàng)的分析研究，未能就臨空巷道變形問題給出綜合的、系統(tǒng)的治理方式。

本文以同煤集團(tuán)石炭系煤層開采過程中臨空巷道圍巖變形機(jī)理分析為基礎(chǔ)，通過理論分析、現(xiàn)場實(shí)例相結(jié)合的方式提出臨空動壓巷道圍巖治理理念，并加以分析，為其他類似條件下巷道圍巖穩(wěn)定控制提供科學(xué)合理的依據(jù)。

2 臨空巷道圍巖變形機(jī)理分析

2.1 巷道發(fā)生變形的主要原因

①對于臨空巷道來說，因其鄰近工作面回采后巖層垮落未穩(wěn)定，不斷變化的圍巖應(yīng)力極易造成圍巖變形，再加上巷道的煤柱邊緣側(cè)底板因集中應(yīng)力發(fā)生變形破壞，最終造成巷道底鼓及兩幫的移近。

②臨空巷一般多為煤巷，煤的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石，全煤動壓巷道的圍巖本身已受到過一次采動壓力影響，此時煤體在高應(yīng)力作用下基本已達(dá)到破壞極限，后期隨著相鄰巷道的開挖擾動，兩幫的煤體因二次重疊應(yīng)力影響發(fā)生較大的破壞，從而造成巷道開挖后兩幫煤體的破碎松軟。

③巷道初期支護(hù)強(qiáng)度低，沒有形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，后期在臨空壓力與回采動壓的疊加影響下，巷道極易發(fā)生變形破壞。

2.2 影響臨空巷道變形程度的因素

①煤柱寬度。不同煤柱寬度條件下，臨空巷道圍巖變形破壞程度也不相同。若煤柱寬度足夠大或足夠小時，臨空巷道布置在低應(yīng)力區(qū)，則巷道能保持圍巖穩(wěn)定；若煤柱寬度較大使得臨空巷道正好布置在高應(yīng)力區(qū)，圍巖穩(wěn)定性必然難以控制。

②煤層厚度。煤層厚度越大，煤柱塑性區(qū)寬度越大，相應(yīng)的邊緣集中應(yīng)力也越高，因此，相同的煤柱寬度條件下，煤層厚度越大，對臨空巷道動壓影響越明顯。

③臨空圍巖穩(wěn)定期，臨空穩(wěn)定期是臨空巷道圍巖控制的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定期越長，原鄰近工作面回采后頂板巖層垮落穩(wěn)定，對臨空巷道圍巖的動壓影響減小，從而有利于控制臨空巷道圍巖的穩(wěn)定。若臨空穩(wěn)定期短或是無臨空穩(wěn)定期，則鄰近工作面頂板垮落的動壓對臨空巷道圍巖穩(wěn)定必然會有影響。

綜上可知，針對臨空動壓巷道的變形破壞特征，結(jié)合巷道變形機(jī)理研究結(jié)果可知，加強(qiáng)回采巷道頂板、兩幫圍巖強(qiáng)度和有效控制底臌是維護(hù)巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3 臨空巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)

結(jié)合臨空布置巷道圍巖變形的機(jī)理分析及現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文提出“避讓優(yōu)先、支卸同步，加強(qiáng)現(xiàn)場管理”的綜合控制理念。

3.1 “避”

避讓優(yōu)先主要是針對新盤區(qū)在設(shè)計(jì)之初需考慮的原則，其中“避”就是指科學(xué)、合理部署采掘巷道、優(yōu)化采掘設(shè)計(jì)，采用新工藝、新技術(shù)源頭避開臨空動壓的影響。

①對于新建礦井、新盤區(qū)，要從設(shè)計(jì)之初即充分考慮巷道圍巖所處應(yīng)力環(huán)境，抓住開拓部署源頭，超前開拓盤區(qū)大巷并調(diào)整采掘部署，為臨空巷道提供足夠的穩(wěn)定期。

②礦井在制定采掘銜接的過程中，要根據(jù)儲量、盤區(qū)單雙翼布置等情況合理選擇跳采方式，確保臨空穩(wěn)定期滿足要求，避開動壓影響。跳采方式如下：

單翼布置盤區(qū)實(shí)現(xiàn)單翼兩端跳采；雙翼布置的盤區(qū)實(shí)現(xiàn)兩翼跳采或是兩翼兩端跳采；戰(zhàn)場條件寬裕，應(yīng)實(shí)現(xiàn)跨盤區(qū)跳采；新開拓盤區(qū)，不論單翼還是雙翼應(yīng)根據(jù)具體條件實(shí)現(xiàn)在盤區(qū)中部布置首采面，然后以首采面為基點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)跳采，或兩翼兩側(cè)四點(diǎn)定點(diǎn)跳采，避免因“跳采”而造成孤島工作面。

③實(shí)施“小煤柱”開采，將臨空巷道布置在低應(yīng)力區(qū)，從源頭上避開臨空支承壓力的影響。

④根據(jù)煤層賦存及煤層厚度等條件選擇實(shí)施無煤柱開采工藝，克服臨空布置巷道的采掘交鋒問題。

3.2 “卸”

一方面是對回采工作面合理選擇卸壓手段，有效緩解臨空邊緣支承壓力，為下一步鄰近工作面的臨空巷道創(chuàng)造相對穩(wěn)定的應(yīng)力環(huán)境；另一方面是對臨空巷道實(shí)施卸壓措施，緩解巷道變形程度。

①對回采面三角區(qū)懸板與臨空側(cè)弧形懸板通過深孔預(yù)裂爆破、CO2預(yù)裂爆破以及水壓致裂等手段緩解殘余邊緣支承壓力的影響，為鄰近工作面的臨空巷道創(chuàng)造相對穩(wěn)定的低應(yīng)力環(huán)境。

②加強(qiáng)日常退錨管理，減小工作面兩端頭懸板面積，緩解巷道超前應(yīng)力顯現(xiàn)。

③關(guān)于臨空巷道超前底鼓問題，應(yīng)采取鉆孔卸壓、爆破卸壓、開掘卸壓槽等解危措施，降低應(yīng)力集中影響區(qū)域發(fā)生底板型沖擊地壓災(zāi)害，必要時對底板進(jìn)行支護(hù)，降低底板沖擊危險性。

3.3 “支”

就是指多種手段并用，強(qiáng)支臨空巷道。對于受動壓影響的巷道，在周圍煤巖結(jié)構(gòu)及支護(hù)系統(tǒng)多數(shù)被破壞的情況下，必須按照高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

①在設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)充分考慮到巷道的服務(wù)對象、圍巖性質(zhì)、服務(wù)年限、應(yīng)力環(huán)境等因素，確保巷道在整個服務(wù)期限內(nèi)其支護(hù)均合理有效。

②根據(jù)實(shí)際情況合理選擇巷道維護(hù)方式，可采用堆柱、木垛等支護(hù)形式，或使用全封閉U型鋼棚（O型棚）、巷道垛式液壓支架、巷道超前液壓支架、防沖巷道液壓支架等不同類型超前支架，切實(shí)有效解決超前主動支護(hù)問題。

③采取有效措施緩解臨空巷道超前壓力影響：一是加強(qiáng)對鄰空側(cè)煤柱的支護(hù)，防止其出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，滯后煤柱周期性失穩(wěn)造成的超前來壓顯現(xiàn)；二是在鄰空巷道超前范圍采取加長加密單體支護(hù)、錨桿（索）支護(hù)以及木垛等措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

④對臨空巷道采取固結(jié)支護(hù)措施，一是對臨空側(cè)煤柱本體進(jìn)行注漿加固；二是對臨空側(cè)遺留三角空硐進(jìn)行充填固結(jié)等措施，緩解臨空壓力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.4 加強(qiáng)現(xiàn)場管理

①加強(qiáng)工作面采煤工藝管理，確保工作面“三直兩平兩暢通”。同時加強(qiáng)機(jī)道、端頭以及超前的頂板管理，確保初撐力、端頭柱、關(guān)門柱以及超前支護(hù)等規(guī)范有效。

②加強(qiáng)工作面支架初撐力管理，確保支架接頂嚴(yán)密、初撐力合格，防止采場空間支護(hù)失穩(wěn)，從而造成切頂線前移、煤壁炸幫以及超前壓力顯現(xiàn)明顯。

③巷道起底必須保證巷道高度，滿足通風(fēng)、行人、運(yùn)輸及端頭支架正常移設(shè)的要求。

4 工程實(shí)踐

（1）同煤集團(tuán)塔山礦8101工作面位于一盤區(qū)，于2016年8月開始回采，煤厚20 m，傾向長度230 m，走向長度1 000 m。相鄰工作面于2013年回采結(jié)束，面間煤柱按8 m留設(shè)，回采期間臨空巷道變形量較小，底鼓量僅0.3 m～0.8 m，頂板下沉量較小，兩幫基本無變形。但一盤區(qū)8111工作面按38 m面間煤柱留設(shè)，回采期間臨空巷道超前范圍因動壓影響變形嚴(yán)重，底鼓量達(dá)1.8 m，兩幫移近量達(dá)2 m，嚴(yán)重影響正常的行人通風(fēng)。

（2）同煤集團(tuán)同忻礦8202工作面于2016年8月開始回采，煤厚20 m，傾向長度200 m，走向長度1 900米。相鄰的8203面于2016年2月回采結(jié)束，面間煤柱按38 m留設(shè)，無臨空穩(wěn)定時間，且掘進(jìn)期間存在采掘交鋒，回采期間臨空巷道超前范圍因動壓影響變形嚴(yán)重，底鼓量達(dá)2.2 m，兩幫移近量達(dá)2.5 m，嚴(yán)重影響正常的行人通風(fēng)。但后期通過在巷道內(nèi)實(shí)施水壓致裂，將臨空側(cè)頂板致裂卸壓，當(dāng)工作面采至水壓致裂區(qū)段時，臨空巷道變形量明顯減小，底鼓量僅為1.2 m，兩幫移近量最大僅為1 m，有效的控制了臨空巷道的圍巖變形。

5 結(jié)論

通過對臨空巷道變形機(jī)理進(jìn)行分析可知：

（1）臨空巷道易發(fā)生變形的主要原因可歸納如下：鄰近煤層圍巖變形引發(fā)動壓；本工作面采掘擾動引發(fā)動壓，再加上巷道初期支護(hù)強(qiáng)度低以及煤體本身強(qiáng)度較低等原因，造成臨空巷道變形嚴(yán)重。

（2）結(jié)合臨空巷道變形機(jī)理分析，本文提出“避讓優(yōu)先、支卸同步，加強(qiáng)現(xiàn)場管理”的控制理念。系統(tǒng)的對臨空巷道進(jìn)行全過程的治理，確保臨空巷道圍巖的整體穩(wěn)定。