沿空巷道圍巖壓力特征及合理支護(hù)原則

王同旭

（山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院 山東青島266590）

1 前言

沿空巷道因受鄰近工作面采動壓力影響，因而較實(shí)體煤巷道更難以維護(hù)，是煤礦最難維護(hù)的巷道之一[1]。沿空巷道穩(wěn)定性，主要取決于巷道圍巖的壓力特征，包括鄰近工作面采動壓力及本工作面采動壓力的動載作用方式、動載作用持續(xù)時(shí)間等[2-3]，壓力特征與煤柱寬度及掘巷時(shí)間有關(guān)，因此根據(jù)煤柱寬度及掘巷時(shí)間從壓力特征角度進(jìn)行巷道分類是十分必要的；沿空巷道支護(hù)，包括掘進(jìn)期間的基本支護(hù)和回采期間的超前臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，二者的支護(hù)原則和要求有顯著區(qū)別，須根據(jù)不同巷道類別的壓力特征進(jìn)行設(shè)計(jì)?？梢?，不同類別沿空巷道圍巖壓力特征，是影響巷道維護(hù)的關(guān)鍵因素，沿空巷道支護(hù)則必須能夠適應(yīng)圍巖壓力特征，才能達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全的圍巖控制目的。

2 支承壓力分布特征及沿空巷道的類別

2.1 長壁工作面覆巖運(yùn)動特征及支承壓力分布特征

長壁工作面開采后，頂板覆巖將依次破斷、回轉(zhuǎn)、沉降，形成復(fù)雜的覆巖破斷結(jié)構(gòu)，并引起劇烈的支承壓力變化，這是煤礦開采中一切災(zāi)害的根源。長壁工作面覆巖運(yùn)動特征及支承壓力分布特征如圖1所示[2-3]。

圖1 沿工作面寬度方向覆巖運(yùn)動特征及支承壓力分布

可見，沿空巷道由于位于區(qū)段煤柱內(nèi)，需經(jīng)受兩個(gè)工作面開采引起的頂板斷裂沉降作用的多次影響和疊加影響，相比位于未采煤層中的實(shí)體煤巷，穩(wěn)定性要差很多。因此，如何布置沿空巷道，包括合理煤柱寬度和合理掘巷時(shí)間，對其穩(wěn)定性影響是巨大的。

2.2 沿空巷道的類別

根據(jù)圖1及上述分析，沿空巷道特點(diǎn)是需要經(jīng)受鄰近工作面采動壓力和本工作面采動壓力等多次動壓影響，從動壓特征角度，對沿空巷道進(jìn)行分類分析是十分必要的，有利于根據(jù)不同的壓力特征，采取不同的巷道支護(hù)與控制原則及支護(hù)方案。

2.2.1 按掘進(jìn)時(shí)間分類

根據(jù)巷道掘進(jìn)與相鄰回采工作面之間的時(shí)間關(guān)系，可分為以下四種情況：

（1）提前掘出（雙巷布置）

在相鄰工作面回采之前，為下一個(gè)工作面服務(wù)的沿空巷道已經(jīng)掘出。通常是與相鄰工作面的運(yùn)輸順槽同時(shí)掘進(jìn)（即雙巷布置），其優(yōu)點(diǎn)是在鄰近工作面回采期間可以采用雙巷進(jìn)風(fēng)，也利于下一工作面正常接續(xù)。但由于該巷道需經(jīng)受相鄰工作面回采時(shí)超前采動壓力、后方采動壓力、矸石壓實(shí)長期蠕變壓力等全過程作用，尤其是后方采動壓力作用期間，頂板運(yùn)動劇烈，動壓特征顯著，對煤柱寬度反映敏感，要求留設(shè)較大煤柱寬度，才可勉強(qiáng)滿足巷道維護(hù)。

（2）對頭或追尾施工（動壓區(qū)掘進(jìn)）

因接續(xù)需要，在相鄰工作面回采期間，就開始掘進(jìn)下一個(gè)工作面的沿空巷道，包括對頭或追尾施工兩種方式，屬于動壓影響區(qū)掘進(jìn)，通常是應(yīng)該避免的。該類巷道的動壓特征，與上述（1）類巷道相比，僅在掘進(jìn)工作面與回采工作面“相遇區(qū)域”顯現(xiàn)明顯，在其他區(qū)域則類似于下述（3）類巷道。

（3）采空區(qū)采后較短時(shí)間掘進(jìn)（未穩(wěn)定區(qū)掘進(jìn)）

因接續(xù)需要，在相鄰工作面回采結(jié)束很短時(shí)間內(nèi)（1～2月內(nèi)），就開始掘進(jìn)下一個(gè)工作面的沿空巷道。該類巷道的動壓特征，較不明顯，與上述（1）類巷道相比，只承受“矸石壓實(shí)長期蠕變壓力作用”，且煤柱越大、滯后掘進(jìn)時(shí)間越長，蠕變壓力作用衰減越明顯。

（4）采空區(qū)采后較長時(shí)間掘進(jìn)（穩(wěn)定區(qū)掘進(jìn)）

在工作面接續(xù)允許的情況下，優(yōu)先推薦采用該種布置。由于掘巷時(shí)滯后相鄰工作面回采結(jié)束時(shí)間較長（6個(gè)月以上），采空區(qū)矸石基本壓實(shí)或者壓實(shí)速率顯著降低，此時(shí)掘進(jìn)巷道可基本忽略相鄰工作面的動壓特征。但仍需承受其固定支承壓力的影響（近似靜載），此時(shí)煤柱寬度是影響沿空巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，應(yīng)優(yōu)先采用小煤柱方案（4 m～6 m），將巷道布置在靠近采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

（5）沿空留巷

在相鄰回采工作面回采期間，將該工作面的一條巷道（通常為運(yùn)輸順槽）加以維護(hù)，為下一個(gè)工作面服務(wù)（通常作為回風(fēng)順槽）。其優(yōu)點(diǎn)是利于下一工作面正常接續(xù)，且少掘進(jìn)一條巷道，也可形成“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，尤其在煤與瓦斯突出煤層，有較好效果。但該巷道與上述（1）類巷道動壓特征類似，且由于巷道緊靠采空區(qū)，其動壓特征更加顯著，巷道維護(hù)難度更大。

2.2.2 按掘進(jìn)位置分類

根據(jù)巷道掘進(jìn)與相鄰回采工作面之間的位置關(guān)系（煤柱寬度），沿空巷道可分為以下四種情況：

（1）煤柱較大，巷道位于支承壓力影響區(qū)外原巖應(yīng)力場

（2）煤柱中等，巷道位于支承壓力高峰區(qū)

（3）小煤柱，巷道位于內(nèi)應(yīng)力場

（4）無煤柱，即沿空留巷，巷道位于內(nèi)應(yīng)力場

上述兩種分類的組合可以形成多種類型，幾種常見的情況見圖2所示?？梢?，其沿空巷道的動壓特征是有顯著差別的，巷道穩(wěn)定性及支護(hù)與加固原則也應(yīng)有明顯的不同。

圖2 沿空巷道典型類別與壓力特征

3 沿空巷道壓力來源與作用特征

顯然，沿空巷道壓力來源與作用特征，與上述2.2的沿空巷道類別組合有關(guān)。不同組合關(guān)系，將有顯著不同的圍巖壓力及顯現(xiàn)特征。

3.1 支承壓力影響范圍外布置巷道

巷道布置在支承壓力影響范圍外時(shí)，圍巖壓力特征與實(shí)體煤巷道類似，以靜載為主，其壓力的來源視原始應(yīng)力場特征，可能有2種情況：

（1）單一重力作用的原始應(yīng)力場，壓力來源于上覆巖層的重力（一般以垂直應(yīng)力為主）。

（2）存在殘余構(gòu)造應(yīng)力的原始應(yīng)力場，壓力來源于重力和殘余構(gòu)造應(yīng)力的綜合作用（一般以水平應(yīng)力為主）。

兩種情況下，巷道圍巖壓力均與煤層埋藏深度大致呈正比關(guān)系。

3.2 支承壓力高峰區(qū)布置巷道

巷道布置在承壓力高峰區(qū)時(shí)，其圍巖壓力特征近似為動載應(yīng)力劇烈擾動作用，壓力來源，視原始應(yīng)力場特征及巷道掘進(jìn)與相鄰回采工作面之間的時(shí)間關(guān)系，可能有2種情況：

（1）單一重力作用的原始應(yīng)力場及2.2（1）（2）（3）（4），壓力來源于采動影響范圍巖層整體重量（從支承壓力影響邊界開始伸展到地面變形邊界所包圍的移動覆巖的全部），可達(dá)原始應(yīng)力場的1.5～2.5倍，其中2.2（1）（2）還要考慮頂板斷裂擾動應(yīng)力波作用。

（2）存在殘余構(gòu)造應(yīng)力的原始應(yīng)力場，將同時(shí)受到1.5～2.5倍自重應(yīng)力和不變的原始構(gòu)造應(yīng)力的雙重作用，其中2.2（1）（2）還要考慮頂板斷裂擾動應(yīng)力波作用。

由于存在1.5～2.5倍的應(yīng)力集中系數(shù)，其中2.2（1）（2）還要考慮擾動應(yīng)力波作用，因此其圍巖壓力顯著增大，且煤層埋藏深度的影響更為顯著。

3.3 在采空區(qū)邊緣小煤柱布置巷道

巷道位于頂板斷裂線附近，頂板斷裂后將回轉(zhuǎn)沉降直至觸矸并壓實(shí)矸石，基本屬于“給定變形”狀態(tài)[3]，沉降量主要與頂板斷裂位置、煤層采出厚度及冒落頂板碎脹充填高度、斷裂頂板長度等參數(shù)有關(guān)，屬于典型的“位移加載”方式。

對2.2（1）（2）情況的小煤柱沿空巷道以及2.2（5）沿空留巷，上述“位移加載”將直接施加于已掘進(jìn)巷道或在掘巷道及小煤柱上，巷道圍巖將劇烈變形甚至破壞，其圍巖壓力特征主要體現(xiàn)為由基本頂“斷裂-觸矸”過程的位移加載作用；位于斷裂線附近的巷道圍巖受到的擾動應(yīng)力波作用也將十分顯著。

對2.2（4）情況的小煤柱沿空巷道，其圍巖壓力特征則近似為靜載作用。掘巷時(shí)上述“給定變形”和“位移加載”已經(jīng)結(jié)束，邊緣煤層已遭到不同程度的破壞，該范圍的壓力高峰已向煤層縱深轉(zhuǎn)移，存在的原始構(gòu)造應(yīng)力也已釋放。因此，小煤柱巷道僅受破斷覆巖巖層重力作用，與埋深及構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系不大。這對深部高應(yīng)力條件沿空巷道是十分有利的。

對2.2（3）情況的小煤柱沿空巷道，頂板劇烈運(yùn)動雖已停止，但頂板壓縮矸石的運(yùn)動尚未完成，因此，尚需額外考慮蠕變壓力的影響。

4 沿空巷道合理煤柱寬度設(shè)計(jì)

沿空巷道合理煤柱寬度設(shè)計(jì)，既要考慮煤柱損失，也要考慮煤柱及沿空巷道穩(wěn)定性。這里主要從后者進(jìn)行分析。綜合上述不同類別的沿空巷道圍巖壓力特征，合理的煤柱寬度設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以下原則：

1）在相鄰工作面采空區(qū)頂板運(yùn)動穩(wěn)定、矸石基本壓實(shí)的情況下，應(yīng)采用小煤柱掘進(jìn)巷道，煤柱寬度一般取4 m～6 m，甚至2 m極小煤柱（見6.1）。

此時(shí)，由于巷道圍巖處于低應(yīng)力區(qū)和壓縮變形能量釋放充分區(qū)域，因此一般不會出現(xiàn)大的煤炮或沖擊地壓現(xiàn)象以及煤與瓦斯突出現(xiàn)象；支護(hù)受力較低，圍巖變形較小，巷道維護(hù)較容易。

如前所述，此時(shí)的巷道圍巖壓力與煤層埋深及構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系不大，主要由直接頂自重和部分破斷覆巖壓力決定，因此，越是深部礦井以及構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜煤層，越應(yīng)堅(jiān)持在“穩(wěn)定的低應(yīng)力場小煤柱掘進(jìn)巷道”的原則，越不宜采用大煤柱方案，尤其是有沖擊地壓危險(xiǎn)和（或）煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層。

2）在相鄰工作面回采期間或相鄰采空區(qū)頂板運(yùn)動尚未穩(wěn)定的情況下，應(yīng)采用大煤柱方案

此時(shí)巷道既不能布置在“內(nèi)應(yīng)力場”內(nèi)，也不能布置在應(yīng)力高峰區(qū)內(nèi)，而只能布置在支承壓力影響區(qū)之外的近似原巖應(yīng)力區(qū)，因而必須留設(shè)較大煤柱寬度[4]。

此時(shí)若將巷道布置在“內(nèi)應(yīng)力場”內(nèi)，則巷道需經(jīng)受覆巖破斷沉降過程的直接作用，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量都將很大（直接頂厚度與采高之比越小、基本頂來壓越明顯，巷道變形破壞也越嚴(yán)重），一般支護(hù)都難以滿足該變形需要，支護(hù)將嚴(yán)重破壞。

此時(shí)若將巷道布置在應(yīng)力高峰區(qū)（10 m～25 m范圍），則巷道掘進(jìn)過程中，將出現(xiàn)煤炮頻繁現(xiàn)象，甚至發(fā)生沖擊地壓及煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害，圍巖變形破壞嚴(yán)重，一般支護(hù)難以滿足該劇烈變形的要求而受到破壞。此外，由于原始應(yīng)力沒有得到釋放，因此埋深越大、構(gòu)造應(yīng)力越復(fù)雜，沿空巷道變形也越嚴(yán)重。

5 沿空巷道圍巖合理支護(hù)原則

沿空巷道圍巖合理支護(hù)，包括考慮靜載壓力的基本支護(hù)和考慮動載影響的臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，后者包括本工作面回采期間的超前支護(hù)。由于臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)范圍是一個(gè)移動的局部區(qū)域，而不是全巷道長度統(tǒng)一支護(hù)，且?guī)缀跛屑訌?qiáng)支護(hù)都可重復(fù)使用，因此即使采用較高成本的加強(qiáng)支護(hù)，也不會增加太多巷道支護(hù)成本。所以，一般來說，基本支護(hù)可不考慮動載影響，而采用相對簡單的支護(hù)，以節(jié)省成本、提高掘進(jìn)速度，而將工作面回采期間的動壓影響，全部或主要由臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)（包括超前支護(hù)）來承擔(dān)?？梢姡訌?qiáng)與超前支護(hù)，是沿空巷道維護(hù)的關(guān)鍵一環(huán)，必須予以重視。

5.1 沿空巷道基本支護(hù)設(shè)計(jì)原則

1）相鄰采空區(qū)基本穩(wěn)定，煤柱寬度4 m～6 m情況下的巷道支護(hù)

由于巷道處于穩(wěn)定的“內(nèi)應(yīng)力場”內(nèi)，支護(hù)對象主要為煤層直接頂自重及其變形壓力。因此，掘進(jìn)階段，巷道較易維護(hù)。由于”內(nèi)應(yīng)力場”內(nèi)煤層及頂板裂隙較發(fā)育，基本支護(hù)的重點(diǎn)是防止局部冒頂與片幫，采用可及時(shí)施作的錨網(wǎng)支護(hù)十分必要。此外，根據(jù)頂板（頂煤）破碎范圍，增加長錨索支護(hù)，也是防止局部冒頂?shù)挠行侄巍?/p>

要注意的是，破碎圍巖中錨桿預(yù)緊力普遍較低，開始時(shí)上緊的錨桿，也會很快松弛，不能充分發(fā)揮錨桿的主動加固作用，因此如何提高并長期保持錨桿預(yù)緊力，是該類巷道需要重視解決的主要問題之一。

2）在未穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道或沿空留巷時(shí)的巷道支護(hù)

此類沿空巷道維護(hù)困難，變形破壞較嚴(yán)重，必要的二次修復(fù)是必要的；巷道支護(hù)既要有足夠的支護(hù)阻力也要有足夠的允許縮量；需要采取比較復(fù)雜聯(lián)合支護(hù)，且成本較高，修復(fù)工作量往往較大，現(xiàn)有支護(hù)還不能很好滿足其劇烈變形控制要求。

3）采用25 m～30 m以上的大煤柱掘進(jìn)的巷道支護(hù)

此時(shí)，巷道的支護(hù)基本可以與實(shí)體煤巷道支護(hù)相同，支護(hù)難度取決于埋深及構(gòu)造應(yīng)力大小，煤層強(qiáng)度。

5.2 動壓區(qū)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)原則（包括本工作面回采期間超前支護(hù)）

由圖1的工作面覆巖運(yùn)動特征及區(qū)段煤柱受力特征可以看出，在本工作面回采期間，無論采用哪種巷道布置方式，沿空巷道由于受到相鄰工作面和本工作面支承壓力疊加作用，在超前支護(hù)段的圍巖變形量一般均比較嚴(yán)重。因此，沿空巷道的超前支護(hù)范圍及支護(hù)強(qiáng)度，均必須加強(qiáng)。其他情況的動壓區(qū)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)也具有類似特征。

超前支護(hù)主要從承受動壓影響角度設(shè)計(jì)可靠的支護(hù)系統(tǒng)，可采用分段加強(qiáng)支護(hù)方案與分段加強(qiáng)范圍。為適應(yīng)超前支護(hù)動載特征，要求支護(hù)既有足夠的支護(hù)阻力（強(qiáng)度）以抵抗變形，也要有足夠的可縮量。目前，常用的超前支護(hù)形式包括：單體液壓支柱配金屬頂梁和底板梁或鐵鞋、自移式巷道液壓支架、注漿錨索等。單體液壓支柱支護(hù)存在的主要問題，是軟巖巷道或強(qiáng)烈采動影響巷道中支柱抵抗變形能力不足，支護(hù)密度很大，鉆底嚴(yán)重致使支護(hù)阻力不能充分發(fā)揮及回收困難，工人勞動強(qiáng)度大；自移式巷道液壓支架存在的問題，一是要求的巷道滿足斷面大、頂?shù)装遢^平整、圍巖變形不能太大等要求，否則影響正常移架，二是反復(fù)降架-升架，對巷道頂?shù)装迤茐妮^嚴(yán)重，甚至?xí)茐囊延许敯逯ёo(hù)系統(tǒng)；注漿錨索代替?zhèn)鹘y(tǒng)單體支護(hù)的趨勢最近幾年有所發(fā)展，但錨索支護(hù)畢竟屬于圍巖內(nèi)部支護(hù)，在頂板較破碎或動壓劇烈時(shí)，不能發(fā)揮信號樹的功能，此外，由于是沿巷道全程布置且不能重復(fù)使用，支護(hù)成本很大，失去了超前支護(hù)局部存在和重復(fù)使用的成本優(yōu)勢。從發(fā)展趨勢看，發(fā)展自移式巷道液壓支架，是解決動壓區(qū)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的可行途徑，現(xiàn)有支架比較笨重，對地質(zhì)條件要求較高，因此，如何使巷道支架輕型化、提高適應(yīng)性，是其需要解決的關(guān)鍵問題。

6 工程案例分析

為進(jìn)一步說明上述關(guān)于不同沿空巷道類別的圍巖壓力特征及其顯現(xiàn)規(guī)律，下面以本文作者承擔(dān)的幾個(gè)典型工程項(xiàng)目為案例加以分析。

6.1 沿穩(wěn)定采空區(qū)邊緣布置巷道

兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦3306綜放工作面所采煤層為3煤，煤層傾角1°～12°，平均5.5°。煤層厚度8.50 m～9.28 m，平均8.95 m。普氏硬度f=2.3。為減小煤柱損失，進(jìn)一步探索小煤柱護(hù)巷機(jī)理，進(jìn)一步減小4 m小煤柱沿空巷道兩幫變形，在3306綜放面進(jìn)行了2 m極小煤柱沿穩(wěn)定采空區(qū)邊緣掘進(jìn)支護(hù)與防滅火技術(shù)試驗(yàn)[5]。

采取的極小煤柱及沿空巷道支護(hù)與加固技術(shù)包括：①基本支護(hù)中以高預(yù)緊力為核心，采用高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)，并在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中考慮動載影響，以修正錨桿強(qiáng)度，確保沿空巷道支護(hù)可靠；②極小煤柱沿空順槽采用ZT24500/20/38型“自移式巷道支架”超前支護(hù)，該支架工作阻力達(dá)24 500 kN，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)0.495 MPa，初撐力達(dá)19 780 kN，底板比壓達(dá)0.92 MPa，對順槽頂?shù)装逄峁?qiáng)大的支護(hù)強(qiáng)度，減小頂板下沉量，也減小采動壓力對極小煤柱的破壞。

圖3為掘進(jìn)期間2 m寬極小煤柱沿空順槽變形速度曲線。

圖3 掘進(jìn)期間極小煤柱沿空順槽變形速度曲線

觀測表明，掘進(jìn)期間巷道頂板累計(jì)下沉量21 mm，平均下沉速度1.2 mm/d，最大下沉速度6 mm/d；兩幫累計(jì)移近量75 mm，平均移近速度4.2 mm/d，最大移近速度20 mm/d；巷道在掘出的0 m～45 m范圍內(nèi)，頂板與兩幫變形比較明顯，距迎頭45 m～100 m變形逐漸緩慢，距迎頭100 m～200 m以外巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4為工作面回采期間極小煤柱沿空順槽超前段圍巖變形觀測結(jié)果。

圖4 工作面回采期間極小煤柱沿空順槽超前段圍巖變形觀測結(jié)果

觀測表明，自切眼推進(jìn)10日開始，工作面前方60 m左右的沿空順槽煤柱側(cè)開始出現(xiàn)明顯變形，煤柱側(cè)移近速度30 mm/d～50 mm/d。煤柱變形形式為沿底板上方0.5 m煤巖分界處的泥巖夾層產(chǎn)生整體滑移，滑移臺階明顯，但小煤柱表面整體性較好，無明顯裂隙發(fā)育，現(xiàn)場SF6數(shù)據(jù)以及束管檢測數(shù)據(jù)表明鄰近采空區(qū)漏風(fēng)量較小。

研究結(jié)果表明，留2.0 m煤柱沿空掘巷時(shí)，塑性區(qū)已擴(kuò)展至煤柱整個(gè)寬度，煤柱中央穩(wěn)定核區(qū)消失，但由于處于應(yīng)力降低區(qū)域，加之雙側(cè)錨桿（網(wǎng)）的強(qiáng)力支護(hù)加固作用有效限制了非穩(wěn)定塑性區(qū)擴(kuò)展，使煤柱處于穩(wěn)定的塑性狀態(tài)，煤柱及巷道因開挖引起的變形較小，表明加固后的煤柱仍有較高的承載能力；在極小煤柱沿空順槽中，采用初撐力及工作阻力均十分強(qiáng)大的巷道支架對控制順槽頂?shù)装遄冃?，減輕小煤柱所受動壓影響，發(fā)揮了十分重要的作用；試驗(yàn)取得了圓滿成功。

6.2 小煤柱動壓影響區(qū)布置巷道

兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦3303綜放面與3302綜放面相鄰，其基本地質(zhì)條件與6.1的3306綜放面類似。為研究試驗(yàn)綜放面小煤柱雙巷布置的可行性，在3302工作面回采前，提前掘進(jìn)3303工作面回風(fēng)順槽320 m，與3302面運(yùn)輸順槽間煤柱4 m，在3302面和3303面回采期間進(jìn)行了詳細(xì)的礦壓觀測研究。

圖5、圖6分別為3302面、3303面回采期間試驗(yàn)巷道變形觀測結(jié)果。

圖5 3302面回采期間試驗(yàn)巷道圍巖變形速度曲線

圖6 3303面回采期間試驗(yàn)巷道圍巖變形速度曲線

觀測表明，3302面回采期間，當(dāng)試驗(yàn)巷道進(jìn)入工作面后方區(qū)域時(shí)，圍巖變形尤其是煤柱幫移近速度十分劇烈。其中：

（1）劇烈區(qū)開始位置（變形速度＞10 mm/d位置）：當(dāng)測點(diǎn)位于3302工作面前方14.9 m時(shí)，兩幫變形速度開始超過10 mm/d，進(jìn)入劇烈變形區(qū)域，而當(dāng)測點(diǎn)位于3302工作面后方-2.9 m時(shí)，頂?shù)鬃冃嗡俣乳_始超過10 mm/d，進(jìn)入劇烈變形區(qū)域。

（2）變形速度的峰值位置：當(dāng)3302工作面推過39.5 m時(shí)，兩幫速度達(dá)到最大值132 mm/d；當(dāng)3302工作面推過47.5 m時(shí)，頂?shù)孜灰七_(dá)到最大值80 mm/d。

（3）變形劇烈區(qū)結(jié)束位置（變形速度＜10 mm/d的位置）：當(dāng)3302工作面推過122.7 m時(shí)，頂?shù)孜灰扑俣乳_始小于10 mm/d，兩幫速度達(dá)；當(dāng)3302工作面推過142.3 m時(shí)，兩幫位移速度開始小于10 mm/d。

（4）穩(wěn)定變形區(qū)：在3302工作面推過142.3 m以后，變形漸趨穩(wěn)定。

（5）變形比：在兩幫的變形中，煤柱幫的變形占兩幫變形的77%，而實(shí)體幫僅占27%。在頂?shù)鬃冃沃校敯逑鲁琳?4%，底鼓占36%。

觀測結(jié)果表明，3303回采期間，試驗(yàn)巷道的工作面超前影響范圍60 m，頂?shù)装逡平科骄?30 mm，最大262 mm，頂板下沉量平均113.5 mm，最大115 mm，底鼓量平均115.5 mm，最大145 mm，兩幫移近量平均472.5 mm，最大507 mm，上幫煤柱外鼓量平均250 mm，最大285 mm。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得以下結(jié)論：

（1)3303綜放面上順槽采用4 m小煤柱雙巷布置試驗(yàn)，經(jīng)歷了3302綜放面超前支承壓力影響階段、3302綜放面后方動壓影響階段及3303綜放面超前支承壓力影響等3次動壓作用。其中3302綜放面超前支承壓力影響階段巷道變形較輕微（最大值為100 mm～200 mm）、3302面滯后壓力影響階段巷道變形最為劇烈（最大值達(dá)1 000 mm～1 500 mm）、3303綜放面超前影響階段巷道變形較大（最大值400 mm～1 000 mm）。

（2）3302綜放面后方動壓影響范圍很大，變形速度峰值位于工作面后方32 m～75 m；劇烈變形區(qū)范圍達(dá)工作面后方97 m～156 m，而穩(wěn)定區(qū)則位于工作面后方160 m～200 m之后。

（3）3302綜放面動壓劇烈影響階段，巷道兩幫變形中煤柱幫變形占80%以上，巷道頂?shù)装遄冃沃校坠牧空?0%以上，而頂板及實(shí)體幫煤體變形較小，穩(wěn)定性較好，巷道頂板0 m～6 m范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯離層現(xiàn)象，而是整體偏轉(zhuǎn)下沉。因此巷道修復(fù)主要是對煤柱幫及底板進(jìn)行擴(kuò)幫和起底。

（4）3303綜放面采動影響階段，巷道煤柱側(cè)變形量較小，煤體噴漿層的破壞較小，錨桿穩(wěn)定。但頂板下沉及底鼓量在進(jìn)入工作面前方30 m以內(nèi)明顯加大，高2 600 mm～2 800 mm左右的巷道縮小為2 100 mm～2 400 mm，部分巷道需要落底，但巷道頂板的完整性仍較好，在采空區(qū)后方懸頂距離達(dá)40 m左右。

6.3 寬煤柱雙巷布置或?qū)︻^施工

塔山礦8210工作面開采3-5#合并煤層，厚度11.1 m～31.7 m，平均19.4 m。煤層傾角1°～3°，埋深300 m～500 m，屬于典型的特厚復(fù)雜破碎煤層條件。在相鄰的8208工作面回采期間掘進(jìn)8210工作面回風(fēng)順槽，煤柱寬38 m，屬于寬煤柱“相向?qū)︻^施工”布置[6]。

圖7為現(xiàn)場實(shí)測的煤柱內(nèi)應(yīng)力最大值分布曲線。圖中橫坐標(biāo)從在掘巷道（8210回風(fēng)順槽）一側(cè)開始，應(yīng)力測點(diǎn)最大深度30 m。

圖7 煤柱應(yīng)力最大值分布規(guī)律

圖中，右側(cè)大的應(yīng)力高峰為8208工作面回采期間形成的（一次采動），左側(cè)小的應(yīng)力高峰為8210工作面回采期間形成的（二次采動）。可見，38 m煤柱中一次、二次采動全過程應(yīng)力分布為雙峰型、非對稱分布，由于煤柱寬度較大，兩個(gè)峰值之間相互影響較小，兩個(gè)高峰影響區(qū)之間的距離為10 m左右。說明留設(shè)38 m煤柱，可有效避開鄰近工作面的一次動壓影響。

巷道變形觀測結(jié)果分析：

巷道變形，是采動壓力、巷道圍巖性質(zhì)等多種因素綜合作用的結(jié)果，分析一次采動、二次采動過程中巷道變形規(guī)律，可以輔助分析煤柱應(yīng)力分布特點(diǎn)，并檢驗(yàn)煤柱寬度的合理性。

（1）一次采動期間

8210面回風(fēng)順槽頂?shù)装逶?208面前方20 m至后方160 m范圍受到影響，但影響程度較低，該范圍內(nèi)每天收斂速度在1.0 mm以上，最大為4.2 mm；兩幫在工作面前方20 m至后方200 m范圍受到影響，影響程度也較低，該范圍內(nèi)每天收斂速度在1.0 mm以上，最大為2.7 mm每天。觀測巷測點(diǎn)從位于8208面前方50 m至后方500 m左右，3個(gè)月時(shí)間，頂?shù)装謇塾?jì)收斂值僅為8 mm～85 mm，兩幫累計(jì)收斂值僅為25 mm～81 mm。再次說明留設(shè)38 m煤柱，可有效避開鄰近工作面的一次動壓影響。

（2）二次采動期間

8210面回采期間，回風(fēng)順槽變形比較劇烈，工作面前方100 m范圍內(nèi)頂?shù)装謇塾?jì)收斂值達(dá)到1 000 mm～1 400 mm，兩幫達(dá)到600 mm～1 000 mm，少數(shù)單體液壓支柱被壓壞。

說明在留設(shè)38 m煤柱情況下，復(fù)雜特厚煤層綜放開采巷道變形與破壞主要發(fā)生在二次采動期間，即本工作面超前壓力影響階段，因此加強(qiáng)本工作面超前支護(hù)強(qiáng)度與范圍，是減小沿空巷道變形的關(guān)鍵所在，在復(fù)雜特厚煤層綜放開采情況下更是如此。

7 總結(jié)與分析

沿空巷道圍巖壓力特征，是決定巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，而支護(hù)的作用則處于輔助地位；位于支承壓力明顯影響范圍之外的寬煤柱沿空巷道，或沿穩(wěn)定采空區(qū)邊緣小煤柱掘進(jìn)的沿空巷道，其圍巖壓力特征近似為靜載作用；位于動壓區(qū)域的中等煤柱沿空巷道，其圍巖壓力特征近似為動載應(yīng)力劇烈擾動作用；位于動壓區(qū)域的小煤柱沿空巷道或沿空留巷，其圍巖壓力特征主要體現(xiàn)為由頂板覆巖“斷裂-觸矸”過程的位移加載作用。設(shè)計(jì)中要首先科學(xué)分析各類沿空巷道的圍巖壓力特征，選擇最有利的巷道布置方式，避免不利情況的出現(xiàn)；在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化支護(hù)方案，使之適應(yīng)所選巷道布置的圍巖壓力特征，要根據(jù)圍巖動力特征分別考慮掘進(jìn)時(shí)的基本支護(hù)和回采期間的臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。加大動壓區(qū)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的范圍和支護(hù)強(qiáng)度，是改善沿空巷道維護(hù)狀況的重要措施，可考慮采用高支護(hù)阻力的巷道液壓支架代替單體液壓支護(hù)，當(dāng)然現(xiàn)有巷道液壓支架的適應(yīng)性仍有待改進(jìn)，可考慮適當(dāng)簡化和適當(dāng)輕量化，以適應(yīng)不同的沿空巷道動壓區(qū)臨時(shí)支護(hù)。關(guān)于沿空巷道圍巖動壓特征的定量化問題，仍是今后需要研究解決的重要課題。