張守寶，皇甫龍，陳恭昱，劉志高，陳熙凌，杜葦航

（中國礦業(yè)大學 （北京） 能源與礦業(yè)學院，北京 100083）

0 引 言

近年來我國煤礦礦井數(shù)量由30 000 多座減少到了3 000 多座，單井生產的集約化程度有了大幅度提高，很多大型礦區(qū)的工作面布置都采用帶區(qū)式順序開采，這種方法在開采設計時較為方便，但是在生產時每一個工作面都會出現(xiàn)沿空巷道。在厚煤層開采情況下，開采空間的加大會造成采場采動影響范圍加大，礦壓顯現(xiàn)程度更加劇烈[1-2]。帶區(qū)式順序開采的主要特點是在工作面開采后期，需要將臨近工作面預先準備完成，以保障煤炭開采的有序銜接，因此，在當前普遍采用留煤柱護巷的礦壓控制技術下，接續(xù)工作面的1 條巷道需要經過先采工作面帶來的側向礦山壓力的嚴重影響，側向壓力的一側傳遞必然會造成沿空巷道礦山壓力的不對稱顯現(xiàn)[3-5]，加上煤礦開采深度逐漸加深，在深部會形成高度的高應力，加劇不對稱顯現(xiàn)[6-9]。中煤王家?guī)X煤礦在采用綜放開采時沿空巷道出現(xiàn)了劇烈的礦壓顯現(xiàn)，造成巷道出現(xiàn)不對稱變形破壞，嚴重影響了生產。本文從王家?guī)X煤礦的沿空巷道不對稱破壞出發(fā)，詳細描述巷道不對稱變形的特點，全面分析造成巷道不對稱破壞的原因，為找尋巷道治理出發(fā)點，進行有效的沿空巷道礦壓控制提供決策依據(jù)。

1 綜放沿空巷道維護方式與煤柱類型

綜放沿空巷道的形成方式主要有2 種，即沿空留巷和沿空掘巷，2 種巷道的形成時間為主要區(qū)別，沿空留巷巷道的形成時間是先于上區(qū)段工作面開采完成，而沿空掘巷的巷道形成時間則是后于上區(qū)段工作面開采完成。因此對于順序條帶式開采的布置方式來說，沿空掘巷不能滿足采掘接替，所以只能采用沿空留巷方式。

對于沿空留巷的護巷方法按照有無煤柱的實際情況可分為無煤柱護巷和有煤柱護巷，無煤柱護巷需要在回采的同時采用留巷技術，保留上區(qū)段的一條巷道為下區(qū)段服務，但是在高瓦斯、漏風量大、圍巖軟弱等困難條件下，難以實施；因此對于大型綜放面沿空留巷普遍采用有煤柱護巷的方法。

綜放沿空煤巷在使用留煤柱護巷時，煤柱按寬度可分為2 類：一類是寬煤柱，即在2 個相鄰區(qū)段工作面間留有較大距離煤柱掘進下區(qū)段巷道，此類煤柱穩(wěn)定性較好，但資源浪費巨大；另一類是窄煤柱，2 個相鄰區(qū)段工作面間留有較窄煤柱掘進下區(qū)段巷道，此類煤柱按照礦壓規(guī)律將煤柱布置在應力降低區(qū)，也能保持較好穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)了資源的高效回收，因此，得到了較好的推廣和應用。

在不同礦山生產地質條件下，需要不同的煤柱設計尺寸和支護方式，才能維護煤柱的穩(wěn)定；在寬煤柱和窄煤柱維護巷道的實踐中也出現(xiàn)了由于設計參數(shù)的不合理，導致的巷道失穩(wěn)問題，所以需要在現(xiàn)場調查的基礎上，總結巷道變形破壞特點和規(guī)律，從而推斷導致巷道產生破壞的原因。

2 綜放沿空巷道圍巖變形破壞特征

2.1 寬煤柱巷道變形破壞特征

以王家?guī)X煤礦為例，該礦主采煤層為2 號煤，煤層賦存條件較好，平均傾角為3°，屬于近水平煤層；煤層厚度6.2 m，局部含1 ～2 層夾矸；煤層上方為節(jié)理裂隙發(fā)育的2.0 m 砂質泥巖和完整度較好的厚度達9.6 m 的細砂巖，其中細砂巖上覆巖層的主要持力層，底板為1.61 m 的泥巖。綜放煤巷的設計寬度為5.2 m，高度為3.5 m。兩區(qū)段間煤柱寬度為20 m。綜放沿空煤巷礦壓顯現(xiàn)大部分時間變形量并不劇烈，僅在上區(qū)段工作面回采經過的階段，礦壓顯現(xiàn)才較為嚴重。

（1） 巷道實體煤幫變形量較大，局部鼓出嚴重。在采動支承壓力影響下，實體煤幫出現(xiàn)貫通性節(jié)理裂隙，造成淺部圍巖碎裂或片幫失穩(wěn)，形成鼓包現(xiàn)象，鼓出量200～300 mm。

（2） 煤柱幫礦壓顯現(xiàn)劇烈。煤柱幫礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象相比實體煤幫嚴重。煤柱幫變形鼓出量大約300～450 mm。局部區(qū)域的大塊片幫煤體形成網兜后發(fā)生撕裂破壞，幫部玻璃鋼錨桿隨圍巖破壞出現(xiàn)托盤接煤不實而失效，多處煤幫脫落形成片幫，幫部錨桿懸露，支護完全失效，巷道危險性加大。

（3） 頂板冒頂下沉量大。頂板整體下沉量呈現(xiàn)中間大，兩邊小，但是煤柱幫肩角處發(fā)生切落下沉，下沉量比實體煤幫量大一些。多處錨桿索支護失效，鋼筋鋼帶扭曲變形和拉斷，局部區(qū)域發(fā)生頂板漏冒，冒高一般在200～600 mm。

綜上得出，綜放寬煤柱沿空巷道在20 m 煤柱條件下，在上區(qū)段工作面經過時出現(xiàn)了局部區(qū)域的圍巖變形破壞和錨桿支護失效，從變形特征分析上看，巷道兩幫都發(fā)生了較大的鼓出變形，但是在煤柱幫的變形量和破壞程度較嚴重，出現(xiàn)了片幫和錨桿支護失效的情況；在頂板變形方面則出現(xiàn)煤柱幫切頂，而實體煤幫僅下沉的區(qū)別；也就是寬煤柱沿空巷道的變形和破壞呈現(xiàn)出煤柱側比實體煤幫嚴重的特征，從變形量上看，具有明顯非對稱性。

2.2 窄煤柱巷道變形破壞特征

綜放窄煤柱沿空煤巷選擇煤柱寬度為8 m，將巷道位置設置于應力降低區(qū)范圍內，可以在縮小煤柱提高回收率的同時，保持巷道的變形量在可控范圍內。但是由于煤柱較小，因此受到相鄰綜放面覆巖運動及其引起的高支承壓力影響就越大，以王家?guī)X煤礦為例，綜放窄煤柱沿空巷道圍巖由于采動影響造成的變形破壞特征如下。

（1） 頂板發(fā)生顯著的不對稱變形。煤層巷道由于煤體本身節(jié)理裂隙發(fā)育和采動影響，在巷道掘進形成過程中，由于與相鄰工作面的對采對掘影響，呈現(xiàn)出變形的持續(xù)性。巷道在使用過程中頂板出現(xiàn)明顯的不對稱下沉，其中在靠煤柱側頂板下沉量較大，最大值超過350 mm，在靠實體煤側頂板下沉量相對較小，約為150 mm；從破壞程度方面，靠煤柱側頂板破碎較為嚴重，并且破碎巖體聚集于頂網內形成較大的鼓包，局部甚至出現(xiàn)錨網破碎，形成冒、漏頂現(xiàn)象。

（2） 頂板發(fā)生明顯的水平擠壓變形。在上區(qū)段工作面開采過后的沿空留巷區(qū)域，頂板巖層內的采動應力造成頂板發(fā)生強烈水平運動，在頂板巖層下沉范圍內，由于相互水平擠壓形成了明顯擠壓破碎帶，破碎帶一般沿巷道走向延伸，間隔一定距離出現(xiàn)，長度在10～34 m；在此類水平擠壓運動條件下，現(xiàn)有的錨桿索垂直支護結構難以適應頂板強烈水平變形，造成頂板W 鋼帶嚴重下沉彎曲，發(fā)生遠離頂板、鋼筋鋼帶彎曲下沉、金屬網破斷等，支護護表系統(tǒng)失去維護性能，嚴重降低支護效果。

（3） 巷道肩角部位發(fā)生嚴重剪切破壞。沿空巷道在側向采動應力影響下，巷道頂板靠煤柱側的肩角區(qū)域頂煤出現(xiàn)臺階式下沉，臺階距離巷幫200～400 mm，臺階下沉量為150～300 mm，臺階區(qū)域與其它區(qū)域間有明顯的剪切滑動破壞面，臺階內煤巖體較為破碎，破壞了支護系統(tǒng)的正常形態(tài)，造成鋼筋網和鋼筋鋼帶拉伸、彎曲變形，甚至斷裂和支護系統(tǒng)損毀。

（4） 巷道受采動影響階段多，變形持續(xù)時間長。窄煤柱沿空巷道自掘進完成，先后經歷掘進影響期、掘進穩(wěn)定期、上區(qū)段采動影響期、采后穩(wěn)定期和本區(qū)段超前影響期，巷道服務時間長，采動影響程度高，變形量大。掘進完成后90 d 內，巷道變形持續(xù)發(fā)展，且時常會聽到“煤炮”聲響，巷道變形穩(wěn)定時間超過120 d，上覆巖層運動導致巷道圍巖處于長期應力不平衡狀態(tài)。在前2 個階段巷道頂板變形量可達400 mm，平均變形速率為3.43 mm/d，此階段變形主要以頂板垂直變形為主，在第三、四個階段影響下，變形量進一步增加，最大超過500 mm，此階段變形以水平破壞和垂直變形共同形成。

綜上可以得出，綜放窄煤柱沿空巷道變形過程是伴隨著開挖巷道成型開始的，其變形持續(xù)時間長，變形量大，變形特點主要為發(fā)生煤柱側和實體煤側差異性大的不對稱變形，不同變形階段分別產生垂直應力導致的下沉變形和水平應力導致的擠壓變形。

3 綜放沿空巷道圍巖變形破壞的原因分析

3.1 寬煤柱巷道變形破壞原因分析

在20 m 煤柱寬度條件下，沿空巷道局部出現(xiàn)了較為嚴重的變形和破壞，發(fā)生破壞的時間多為上區(qū)段工作面經過時，通過分析巷道所處煤層和采區(qū)的地質生產條件，得出其變形破壞的主要原因包括2 點。

（1） 煤柱寬度不足。在寬煤柱護巷條件下，護巷煤柱寬度是決定沿空留巷穩(wěn)定性的主要因素之一，實踐表明，在該采區(qū)6.2 m 厚綜放開采條件下，采動空間的加大造成采動影響范圍的增加，20 m 寬度煤柱護巷在采動影響嚴重階段時，出現(xiàn)了明顯的巷道變形甚至破壞，說明20 m 寬度煤柱并不能有效降低采動應力對沿空巷道的影響。

（2） 采動應力影響。寬煤柱沿空巷道在掘進影響期內巷道變形量并不大，但是隨著上區(qū)段工作面的鄰近，巷道受到采動側向支承壓力的影響越來越嚴重，由于寬煤柱的影響，此時側向支承壓力的方向主要以垂直應力為主，只是由于應力大小的不均勻性，造成了沿空巷道的變形和破壞呈現(xiàn)出明顯的不對稱特征。

3.2 窄煤柱巷道變形破壞原因分析

窄煤柱沿空巷道在護巷煤柱為8 m 時也出現(xiàn)了較為劇烈的礦壓顯現(xiàn)，其中頂板變形的特征尤為明顯。無論是從實體煤幫到煤柱幫的不對稱變形，還是從肩角處的臺階下沉到頂板中部的擠壓—松擴變形，都出現(xiàn)了明顯與寬煤柱護巷的不同特點，通過分析得出原因如下。

（1） 窄煤柱沿空巷道發(fā)生嚴重的不對稱變形原因在于采動產生的側向支承壓力在巷道圍巖上的非對稱分布，由于靠近上區(qū)段采空區(qū)，上覆巖層基本頂破斷位置更加接近巷道，造成巷道圍巖承受的側向采動影響為水平應力和垂直應力的組合集中影響區(qū)，從而形成變形破壞的不對稱。

（2） 巷道變形破壞的力源主要來源于上覆巖層破斷過程中產生的水平力和采動側向垂直支承壓力。垂直支承壓力作用于頂板主要產生垂直變形，由于巷道位置處于應力降低區(qū)，在巷道范圍內應力分布的不對稱使頂板垂直變形出現(xiàn)加大差異；另外采動水平力作用于巷道頂板形成擠壓—松擴變形，在擠壓區(qū)形成頂板菱角型突出，鋼帶彎折變形，在張拉區(qū)出現(xiàn)巷道拉伸破壞，出現(xiàn)裂縫。

（3） 巷道肩角處出現(xiàn)臺階下沉的原因在于巷道尖角附近為剪切應力集中區(qū)，剪切應力作用下巷道頂板發(fā)生剪切滑移破壞，形成沿剪切滑動面的差異性下沉臺階。

4 結 論

在集約化條帶開采模式下，不同護巷方式的綜放沿空巷道在不同階段均發(fā)生不對稱變形破壞，通過研究和分析得出主要結論。

（1） 寬煤柱護巷條件下，巷道發(fā)生不對稱破壞主要體現(xiàn)在兩幫的不對稱鼓出和頂板的不對稱下沉，這種不對稱主要是由于煤柱寬度不足和垂直應力的不對稱形成的。

（2） 在窄煤柱護巷條件下，巷道發(fā)生不對稱變形破壞主要體現(xiàn)在頂板的不對稱變形，具體為在頂板的臺階下沉和擠壓—松擴變形，這是上區(qū)段采動產生的水平力和垂直應力共同作用的結果。