沿空巷道围岩压力特征及合理支护原则

刘永强

（晋能控股煤业集团煤峪口矿， 山西 大同 037000）

引言

在对巷道进行维护的过程中，沿空巷道是最难维护的巷道之一，主要是由于其受到来自邻近工作面采动压力，从而导致其维护远高于实体巷道。沿空巷道稳定性主要由巷道围岩压力特征决定，主要包括：邻近工作面采动压力、动载作用持续时间、本工作面采动压力的动载作用形式等。通常情况下，沿空巷道支护包括：掘进期间的基本支护、回采期间的超前临时加强支护。由于两者在支护原则以及要求方面存在较大的差异性，因此在进行设计的过程中需要依据巷道压力特征进行设计。

1 支承压力分布特征及沿空巷道的类别

1.1 长壁工作面覆岩运动特征及支承压力分布特征

在对长壁工作面进行开采时，顶板覆岩将会进行破断、回转、沉降等工艺，并且形成非常复杂的覆岩破断结构。图1 表示相应的长壁工作面覆岩运动特征及支承压力分布特征图。

图1 沿工作面宽度方向覆岩运动特征及支承压力分布图

由此可以看出，沿空巷道处于区段煤柱位置，在开采的过程中将会受到来自两个工作面顶板断层沉降影响，因此稳定性相对较差。沿空巷道设置主要通过处理煤柱宽度以及优化掘巷时间，这样能够有效地维护巷道的稳定性。

1.2 沿空巷道的类别

通过分析图1 可以看出，由于沿空巷道受到来自邻近工作面采动压力的影响。从动压层面进行分析，可以依据不同压力特征对沿空巷道进行分类，进而可以选用不同的巷道支护方式以及方案。

1.2.1 按掘进时间分类

通过分析巷道掘进与邻近回采工作面的时间关系，通常可以划分为如下四种形式：

1）提前掘出。在邻近工作面进行回采的过程中，已经开掘出下一个工作面服务的沿空巷道。一般情况下与邻近工作面运输顺槽同时掘进，在实施邻近工作面回采的过程中往往需要设置双巷进风设置，同时便于更好地实施接下来的工作面挖掘。可是此类型的巷道往往需要承受来自邻近工作面回采过程中各种压力的作用：超前采动压力、矸石压实长期蠕变压力、后方采动压力等[1]。当处于后方采动压力的过程中，由于顶板运动非常剧烈，相应的动压数值非常大，并且对煤柱宽度敏感，因此需要设置较大的煤柱宽度，这样才能更好地对巷道进行维护。

2）对头或追尾施工（动压区掘进）。由于工程连接需要，通常在相邻工作面回采过程中，往往需要挖掘下一个沿空巷道，一般采用对头施工和追尾施工两种施工形式。对于处于动压巷道而言，和第一类巷道相比较发现，其在掘进工作面与相应的回采工作面的相遇区域之间存在相同，而其他位置则与（3）类巷道类似。

3）采空区采后较短时间掘进（未稳定区掘进）。当相邻工作面结束1～2 个月内，往往需要掘进下一个沿空巷道。该巷道在动压特性方面并不明显，仅仅与第一种巷道的中承受“矸石压实长期蠕变压力作用”情况相类似，与此同时，煤柱相对较大，以及掘进滞留时间较长等。

4）采空区采后较长时间掘进（稳定区掘进）。假如工作面接续允许，那么可以首选该布置。当前在掘进巷道后，其往往滞后相邻工作面回采时间，因此相应的采空区矸石往往被压实，这时在进行掘进巷道的过程可以不考虑邻近工作面的动压情况。可是，其依旧需要承担固定支撑压力的影响，那么在该状态下煤柱宽度将成为沿空巷道稳定性的核心问题。通常情况下，选择小煤柱，并且把巷道设置在应力降低的区域。

1.2.2 按掘进位置分类

依据巷道掘进以及邻近回采工作面之间的关系，往往将沿空巷道划分为如下四种：

1）煤柱相对较大，而巷道处于支承压力影响区外原岩应力场。

2）煤柱处于中等状态，而巷道处于支撑压力最高位置的区域。

3）煤柱处于较小状态，而巷道处于内应力场的作用下。

4）无煤柱，也就是沿空留巷，而巷道处于内应力场的作用下。

四种分类进行组合可以构成多种类型，图2 表示常见的类型。通过分析可以看出，沿空巷道的动压特征存在较大的差别，因此导致在巷道稳定性、支护方式、加固原则等存在显著的差别。

图2 沿空巷道典型类别与压力特征

2 沿空巷道压力来源与作用特征

2.1 支承压力影响范围外布置巷道

假如巷道设置在支撑压力影响外，相应的围岩压力与实体巷道之间类似，主要表现为静载，而相应的压力来源可以当做原始应力场，通常存在如下两种可能的情况：

1）单一重力作用的原始应力场，而对应的压力来源于覆岩层的重力。

2）存在残余构造应力的原始应力场，而对应的压力来源于重力和残余构造应力。

2.2 支承压力高峰区布置巷道

当巷道设置在承压力的最高位置时，那么相应的围岩受到的动载应力剧烈扰动作用，主要是由于巷道掘进与邻近工作面回采之间，表现为以下可能存在的两个情况：

1）处于单一重力场作用下，而相应的压力主要是由采动影响范围岩层整体重量，往往可以达到应力场的1.5～2.5 倍。

2）残余构造应力的原始应力场，不仅需要考虑不变原始构造应力的影响，而且还应该对顶板断裂扰动应力波进行考虑。

3 沿空巷道围岩合理支护原则

3.1 沿空巷道基本支护设计原则

1）当邻近采空区域处于相对稳定的状态，而对应的煤柱宽度处于4～6 m 情况下，对巷道支护设计分析。当巷道处于相对稳定的内应力场的作用下，煤层直接顶自重与变形压力为支护的主要对象。由此可以看出，在掘进的过程中，对应的巷道相对容易维护。由于在内应力场的作用下，内煤层以及顶板裂隙处于发育阶段，在进行支护的过程中应该防止出现局部冒顶与片帮，通常可以选用锚网支护。对于破碎围岩而言，锚杆预紧力相对较低，因此不能较好地发挥锚杆主动加固的作用，由此必须保证锚杆预紧力是当前必须解决的问题。

2）当所掘进的位置是未稳定的采空区域时，巷道支护情况相对困难。由于沿空巷道变形较为严重，必须对其进行二次修复。在巷道支护的过程中，不仅需要克服大量的支护阻力，而且还需要满足允许的缩量。该过程不仅需要相对复杂的联合支护，而且工程量大，以及成本相对较高。

3）对于25～30 m 的大煤柱进行巷道支护时，其支护形式与实体巷道相同，而支护过程中主要由埋深及构造应力大小决定。

3.2 动压区临时加强支护原则（包括本工作面回采期间超前支护）

通过分析上页图1 工作面覆岩运动以及相应的区段煤柱受力的情况可以发现，在该工作面回采的过程中，由于沿空巷道受到邻近与自身工作面的支撑压力的双重影响，那么将会导致超前支护位置的围岩变形显著。由此可以看出，必须对超前支护进行加固。当前，超前支护常用的形式有单体液压支柱配金属顶梁与底板梁相结合的支护形式；注浆锚索支护形式；自移式巷道液压支架支护形式。其中在使用单体液压支柱支护的过程中发现，软岩巷道出现支护变形能力不足以及支护较多的现象，这样不仅不能充分发挥支护的作用，而且增加工人劳动强度。对于自移式巷道液压支架而言，在使用的过程中主要突出的问题有两个方面：必须要求断面面积比较大，顶板相对平整，否则将直接影响正常的移架；反复降架与升架，由于其对巷道顶板破坏相对严重，更有甚者将对顶板支护系统产生非常严重的影响。注浆锚索是最近比较新型的支护方式，当顶板破碎比较严重时，其能够较好地发挥作用。从发展情况进行分析可以看出，移动式巷道液压支架能够在临时加固支护方面较好地发挥作用，当前所使用的支架比较笨重，并且其对地质条件要求相对较高。由此可以看出，必须要求巷道支架能够适应轻量化的使用要求。

4 结语

沿空巷道围岩压力特征能够有效地反应巷道的稳定性，而支护则是一个辅助作用。在设计支护的过程中，必须充分考虑各种类型的沿空巷道的围岩压力特征，这样才可以更好地进行巷道布置，从而可以避免出现不利的情况。基于此，需要对巷道支护进行优化处理，从而才可以满足巷道布局的围岩压力特征。通常需要依据围岩特征对基本支护以及回采过程中的临时支护进行加强。为了能够有效地优化沿空巷道的支护情况，通常可以选用高支护阻力液压支架。与此同时，需要对现行的巷道液压支架的适应性进行优化设计，通常可以将设备进行简化以及轻量化，这样能够满足各种沿空巷道动压区临时支护。今后，相关研究人员应该加强对沿空巷道围岩动压特征定量化的研究。