姬志朋

（山西高平科興南陽(yáng)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400）

沿空留巷是一種無(wú)煤柱護(hù)巷方式，其能有效提高煤炭采出率，緩解采掘接替緊張，減少巷道掘進(jìn)，采用的Y型通風(fēng)方式可保證高濃度瓦斯的有效排放[1-7]。但由于沿空留巷要經(jīng)歷多次強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，巷道圍巖變形劇烈。本文以南陽(yáng)煤礦3206工作面沿空留巷為背景，對(duì)其留巷圍巖變形破壞規(guī)律及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

3206工作面主采煤層為3號(hào)煤層，水平標(biāo)高為+839 m，采用傾斜長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。采高平均3 m，放煤高度2.2 m，采放比為1:0.73。工作面長(zhǎng)度180 m，傾斜長(zhǎng)度1860 m，煤層平均厚5.2 m。偽頂為平均0.2 m的黑色薄層狀泥巖；直接頂為細(xì)沙巖、粗砂巖，平均厚度9 m；基本頂為細(xì)粒砂巖、中粗砂巖，平均厚度15 m左右。該工作面的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，工作面無(wú)斷層等構(gòu)造，煤層屬不易自燃煤層，無(wú)煤塵爆炸性。工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量17.44 m3/min，為高瓦斯礦井。巷道及工作面的布置如圖1。3206回風(fēng)順槽斷面為矩形斷面，留巷巷道通風(fēng)斷面設(shè)計(jì)寬度4 m，充填體寬度1.5 m，承擔(dān)工作面的回風(fēng)任務(wù)。

圖1 巷道及工作面的布置

2 沿空留巷圍巖應(yīng)力分析

沿空留巷不同于普通回采巷道，從掘進(jìn)到留巷各期間其圍巖受不同程度的采動(dòng)影響，圍巖變形劇烈。圖2為留巷的圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布圖。側(cè)向工作面回采以后，采空區(qū)側(cè)頂板巖層在重力的作用下將主動(dòng)垮落[8]，在巷旁支護(hù)初支撐力的作用下，頂板巖層將在巷旁支護(hù)外側(cè)斷裂；在頂板側(cè)向支承壓力的作用下，巷道煤幫煤體將經(jīng)歷彈性階段、塑性階段和破壞殘余階段，形成彈性區(qū)、塑性區(qū)、破裂區(qū)。

圖2 留巷的圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布圖

2.1 沿空留巷圍巖煤幫應(yīng)力分析

在距離巷道煤幫x處取一個(gè)單元體為研究對(duì)象，長(zhǎng)度為dx，高度為煤層高度。假設(shè)煤體與頂?shù)装宓酿ぞ哿鶠閏，摩擦系數(shù)均為f，單元體各方向的受力為：σx、σy、σx+dσx、c、f·σy+c。由于煤幫煤體位移方向指向巷道，忽略頂?shù)装宓奈灰?，因此力f·σy+c指向x方向，Px為巷道煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，如圖3。

圖3 巷道幫部煤體單元體受力分析

（1）破裂區(qū)應(yīng)力分析

由圖3建立x方向的平衡方程：

由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則得到：

式中：φ為破裂區(qū)內(nèi)煤體的內(nèi)摩擦角，（°）。

將（2）式代入（1）式得到：

考慮邊界條件：σy|x=0=εσx|x=0+Se=εPx+Se，其中Se=2Ccosφ(1 - sinφ)，C為煤體的黏聚力。

求解得到破裂區(qū)內(nèi)煤體垂直應(yīng)力σy為：

（2）塑性區(qū)應(yīng)力分析

在破裂區(qū)與塑性區(qū)交界處有σy|x=x1=σc，σc為破裂區(qū)煤體抗壓強(qiáng)度。

同理可得到塑性區(qū)垂直應(yīng)力為：

根據(jù)煤層應(yīng)力連續(xù)邊界條件，塑性區(qū)與破裂區(qū)交界處，σy2|x=x2=KγH，K為應(yīng)力集中系數(shù)。代入（5）式得到：

式中：hm為巷道高度，m；φu、φd為煤幫與頂?shù)装鍘r交界處的摩擦角，（°）。

根據(jù)3206工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)實(shí)測(cè)得到的力學(xué)參數(shù)為：C=1.45 MPa，φu=φd=33°，f=0.2，M=5.2 m，hm=3 m，Px=0.15 MPa，γH=6.58 MPa，K根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力監(jiān)測(cè)，取K=2.5，φ=27°，c=2.0 MPa，σc=1.2 MPa。由上述數(shù)據(jù)計(jì)算得到x1=1.63 m，x2=4.19 m。巷道左幫煤體裂隙區(qū)范圍1.63 m，塑性區(qū)2.56 m。

2.2 沿空留巷巷旁支護(hù)作用機(jī)制分析

巷旁支護(hù)體應(yīng)力特征及變形特點(diǎn)主要分為3個(gè)階段：第一階段，上區(qū)段工作面回采時(shí)，受采空區(qū)側(cè)向頂板垮落影響，巷旁支護(hù)體承受的載荷不斷增大，變形量顯著增加；第二階段，留巷穩(wěn)定階段，隨著遠(yuǎn)離工作面，沿空留巷圍巖變形與頂板巖層的運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，巷旁支護(hù)體受力基本不變，但隨著支護(hù)體強(qiáng)度的降低，也可能發(fā)生支護(hù)失穩(wěn)破壞；第三階段，受第2個(gè)工作面前方超前支承壓力與上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加影響，巷旁支護(hù)體載荷將迅速增大，發(fā)生劇烈變形，但該階段影響范圍小，作用時(shí)間較短。

根據(jù)巷旁支護(hù)體不同階段的受力特征，得到其作用機(jī)制有如下特點(diǎn)：具有早強(qiáng)、快速增阻的力學(xué)特性，能保持直接頂?shù)耐暾耘c自承能力，有效地切落頂板；具有一定的可縮量，適應(yīng)頂板的變形，剛?cè)峤Y(jié)合；具有較高的后期強(qiáng)度，發(fā)生大變形的充填體在疊加支承壓力作用下仍然能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 沿空留巷圍巖控制

3.1 巷道原始支護(hù)

巷道掘進(jìn)期間，頂板錨索采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，呈“2-1-2”布置。錨索規(guī)格為Ф22 mm×6300 mm，排距為1000 mm，當(dāng)排布置2根錨索時(shí)間距為2500 mm，1根錨索時(shí)布置在巷道中心線位置。頂板錨桿采用Φ22-2500無(wú)縱筋專用螺紋鋼錨桿，每排布置6根，間排距為1020 mm×1000 mm。錨桿錨固力不小于90 kN，預(yù)緊力矩為300 N·m，頂角錨桿與幫角度為25°。頂網(wǎng)采用5900 mm×1200 mm、50 mm×50 mm菱形網(wǎng)孔矩形金屬網(wǎng)。

右?guī)湾^桿采用Φ22-2500無(wú)縱筋專用螺紋鋼錨桿，每排布置3根，間排距為1300 mm×1000 mm，其中上部錨桿距頂200 mm，并向上傾斜15°，下部錨桿距底板400 mm。錨桿錨固力不小于90 kN，預(yù)緊力矩為300 N·m。左幫錨桿采用Φ22-2500玻璃鋼錨桿，每排布置4根，間排距850 mm×1000 mm，其中上部錨桿距頂200 mm，下部錨桿距底板300 mm。錨桿錨固力不小于70 kN，預(yù)緊力矩為70 N·m。幫網(wǎng)采用3000 mm×1200 mm、50 mm×50 mm菱形網(wǎng)孔矩形金屬網(wǎng)。

3.2 初次采動(dòng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

受上區(qū)段工作面超前支承壓力影響，需對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。超前支護(hù)為兩排單體柱配合鉸接梁支護(hù)，在轉(zhuǎn)載機(jī)的兩側(cè)各支設(shè)一排，排距1.0 m，兩排柱間距為3.50 m，長(zhǎng)度為30 m，左排柱距巷道北幫1.50 m，右排柱距巷道南幫1.0 m。

3.3 留巷階段支護(hù)

3206工作面留巷前，提前在3206皮帶順槽內(nèi)補(bǔ)打錨索對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)錨索超前柔模墻50 m，將頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)為“三四三”支護(hù)方式。由于巷道幫部塑性區(qū)與破裂區(qū)范圍超4 m，所以在幫部打入補(bǔ)強(qiáng)錨索，錨索規(guī)格為Ф21.6 mm×4800 mm，間排距為850 mm×1000 mm。留巷段支護(hù)采用“一梁三柱+3.0 m π型梁”加強(qiáng)支護(hù)，每排3根單體柱配合π梁進(jìn)行支護(hù)。留巷后支護(hù)長(zhǎng)度不小于230 m，排距1.0 m。新澆筑的混凝土充填體，沿邊沿打設(shè)一排加強(qiáng)單體，待礦壓穩(wěn)定后，依次將單體柱回收。單體柱回撤后立即對(duì)柔模的對(duì)拉錨桿進(jìn)行預(yù)緊。為確保留巷頂板安全，末端30 m鋼棚不進(jìn)行回撤。支護(hù)方案如圖4所示。留巷時(shí)，工作面機(jī)頭至5#架段頂板鋪設(shè)聯(lián)接金屬網(wǎng)，工作面割煤后緊跟支架尾梁沿采空區(qū)支設(shè)木柱。工作面開始沿空留巷后，機(jī)頭過渡架與柔模之間的空間采用單體柱進(jìn)行支護(hù)，沿切頂線處支設(shè)圓木，圓木直徑≥16 cm，傾斜圓木與垂直圓木交錯(cuò)布置，間距40 cm（即每一循環(huán)支設(shè)2根切頂圓木）。

圖4 沿空巷道圍巖支護(hù)圖（mm）

4 留巷圍巖控制效果

（1）頂板離層情況

在頂板布置多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)頂板圍巖不同位置處的離層量，如圖5（a）。超前工作面90 m處頂板開始離層，超前約20 m時(shí)頂板圍巖離層量突然陡升。超前工作面頂板0～2 m、2～4 m、4～6 m的離層量分別為60 mm、42 mm、24 mm，頂板總離層量為116 mm。這說(shuō)明頂板超前臨時(shí)支護(hù)效果較好。滯后工作面0～40 m范圍內(nèi)，頂板離層量上升較緩；在40～120 m范圍內(nèi)頂板離層量不斷增大；在滯后工作面120 m時(shí)，頂板圍巖離層量總量為302 mm。其中，0～2 m范圍離層量占總量的52.9%，表明留巷頂板淺部下位巖層是最主要的離層區(qū)，且總體離層量均較小，說(shuō)明頂板支護(hù)措施效果較好。

（2）圍巖變形量

在沿空留巷內(nèi)安裝圍巖表面位移測(cè)站，監(jiān)測(cè)滯后工作面不同距離的圍巖變形，得到不同階段圍巖變形曲線如圖5（b）。留巷圍巖經(jīng)歷強(qiáng)烈的采動(dòng)影響后，在滯后工作面250 m范圍內(nèi)，頂板下沉為103 mm，煤幫移近量為230 mm，柔模充填體移近量為19 mm，底鼓量為361 mm。頂板和充填體變形基本穩(wěn)定，煤幫和底板雖仍有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但總體在有效控制范圍內(nèi)，巷道能夠滿足礦井的安全生產(chǎn)。

圖5 巷道監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）理論分析了沿空留巷圍巖變形規(guī)律，得到了其煤幫破裂區(qū)、塑性區(qū)的應(yīng)力分布公式及其分布范圍。結(jié)合巷旁支護(hù)不同采動(dòng)影響時(shí)期的受力特征，分析了留巷不同時(shí)期的變形機(jī)制。

（2）針對(duì)沿空留巷不同采動(dòng)時(shí)期的應(yīng)力環(huán)境及變形規(guī)律，制定了不同階段的支護(hù)方案，并對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示頂板圍巖總離層量較小，主要的離層區(qū)為頂板淺部下位巖層。在滯后工作面250 m范圍內(nèi)，頂板、煤幫、柔模充填體、底板變形量分別為103 mm、30 mm、19 mm、361 mm，說(shuō)明頂板和充填體變形基本穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。