劉永強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦， 山西 大同 037000）

引言

在對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)的過程中，沿空巷道是最難維護(hù)的巷道之一，主要是由于其受到來自鄰近工作面采動(dòng)壓力，從而導(dǎo)致其維護(hù)遠(yuǎn)高于實(shí)體巷道。沿空巷道穩(wěn)定性主要由巷道圍巖壓力特征決定，主要包括：鄰近工作面采動(dòng)壓力、動(dòng)載作用持續(xù)時(shí)間、本工作面采動(dòng)壓力的動(dòng)載作用形式等。通常情況下，沿空巷道支護(hù)包括：掘進(jìn)期間的基本支護(hù)、回采期間的超前臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。由于兩者在支護(hù)原則以及要求方面存在較大的差異性，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要依據(jù)巷道壓力特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 支承壓力分布特征及沿空巷道的類別

1.1 長壁工作面覆巖運(yùn)動(dòng)特征及支承壓力分布特征

在對(duì)長壁工作面進(jìn)行開采時(shí)，頂板覆巖將會(huì)進(jìn)行破斷、回轉(zhuǎn)、沉降等工藝，并且形成非常復(fù)雜的覆巖破斷結(jié)構(gòu)。圖1 表示相應(yīng)的長壁工作面覆巖運(yùn)動(dòng)特征及支承壓力分布特征圖。

圖1 沿工作面寬度方向覆巖運(yùn)動(dòng)特征及支承壓力分布圖

由此可以看出，沿空巷道處于區(qū)段煤柱位置，在開采的過程中將會(huì)受到來自兩個(gè)工作面頂板斷層沉降影響，因此穩(wěn)定性相對(duì)較差。沿空巷道設(shè)置主要通過處理煤柱寬度以及優(yōu)化掘巷時(shí)間，這樣能夠有效地維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。

1.2 沿空巷道的類別

通過分析圖1 可以看出，由于沿空巷道受到來自鄰近工作面采動(dòng)壓力的影響。從動(dòng)壓層面進(jìn)行分析，可以依據(jù)不同壓力特征對(duì)沿空巷道進(jìn)行分類，進(jìn)而可以選用不同的巷道支護(hù)方式以及方案。

1.2.1 按掘進(jìn)時(shí)間分類

通過分析巷道掘進(jìn)與鄰近回采工作面的時(shí)間關(guān)系，通?？梢詣澐譃槿缦滤姆N形式：

1）提前掘出。在鄰近工作面進(jìn)行回采的過程中，已經(jīng)開掘出下一個(gè)工作面服務(wù)的沿空巷道。一般情況下與鄰近工作面運(yùn)輸順槽同時(shí)掘進(jìn)，在實(shí)施鄰近工作面回采的過程中往往需要設(shè)置雙巷進(jìn)風(fēng)設(shè)置，同時(shí)便于更好地實(shí)施接下來的工作面挖掘?？墒谴祟愋偷南锏劳枰惺軄碜脏徑ぷ髅婊夭蛇^程中各種壓力的作用：超前采動(dòng)壓力、矸石壓實(shí)長期蠕變壓力、后方采動(dòng)壓力等[1]。當(dāng)處于后方采動(dòng)壓力的過程中，由于頂板運(yùn)動(dòng)非常劇烈，相應(yīng)的動(dòng)壓數(shù)值非常大，并且對(duì)煤柱寬度敏感，因此需要設(shè)置較大的煤柱寬度，這樣才能更好地對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)。

2）對(duì)頭或追尾施工（動(dòng)壓區(qū)掘進(jìn)）。由于工程連接需要，通常在相鄰工作面回采過程中，往往需要挖掘下一個(gè)沿空巷道，一般采用對(duì)頭施工和追尾施工兩種施工形式。對(duì)于處于動(dòng)壓巷道而言，和第一類巷道相比較發(fā)現(xiàn)，其在掘進(jìn)工作面與相應(yīng)的回采工作面的相遇區(qū)域之間存在相同，而其他位置則與（3）類巷道類似。

3）采空區(qū)采后較短時(shí)間掘進(jìn)（未穩(wěn)定區(qū)掘進(jìn)）。當(dāng)相鄰工作面結(jié)束1～2 個(gè)月內(nèi)，往往需要掘進(jìn)下一個(gè)沿空巷道。該巷道在動(dòng)壓特性方面并不明顯，僅僅與第一種巷道的中承受“矸石壓實(shí)長期蠕變壓力作用”情況相類似，與此同時(shí)，煤柱相對(duì)較大，以及掘進(jìn)滯留時(shí)間較長等。

4）采空區(qū)采后較長時(shí)間掘進(jìn)（穩(wěn)定區(qū)掘進(jìn)）。假如工作面接續(xù)允許，那么可以首選該布置。當(dāng)前在掘進(jìn)巷道后，其往往滯后相鄰工作面回采時(shí)間，因此相應(yīng)的采空區(qū)矸石往往被壓實(shí)，這時(shí)在進(jìn)行掘進(jìn)巷道的過程可以不考慮鄰近工作面的動(dòng)壓情況?？墒?，其依舊需要承擔(dān)固定支撐壓力的影響，那么在該狀態(tài)下煤柱寬度將成為沿空巷道穩(wěn)定性的核心問題。通常情況下，選擇小煤柱，并且把巷道設(shè)置在應(yīng)力降低的區(qū)域。

1.2.2 按掘進(jìn)位置分類

依據(jù)巷道掘進(jìn)以及鄰近回采工作面之間的關(guān)系，往往將沿空巷道劃分為如下四種：

1）煤柱相對(duì)較大，而巷道處于支承壓力影響區(qū)外原巖應(yīng)力場。

2）煤柱處于中等狀態(tài)，而巷道處于支撐壓力最高位置的區(qū)域。

3）煤柱處于較小狀態(tài)，而巷道處于內(nèi)應(yīng)力場的作用下。

4）無煤柱，也就是沿空留巷，而巷道處于內(nèi)應(yīng)力場的作用下。

四種分類進(jìn)行組合可以構(gòu)成多種類型，圖2 表示常見的類型。通過分析可以看出，沿空巷道的動(dòng)壓特征存在較大的差別，因此導(dǎo)致在巷道穩(wěn)定性、支護(hù)方式、加固原則等存在顯著的差別。

圖2 沿空巷道典型類別與壓力特征

2 沿空巷道壓力來源與作用特征

2.1 支承壓力影響范圍外布置巷道

假如巷道設(shè)置在支撐壓力影響外，相應(yīng)的圍巖壓力與實(shí)體巷道之間類似，主要表現(xiàn)為靜載，而相應(yīng)的壓力來源可以當(dāng)做原始應(yīng)力場，通常存在如下兩種可能的情況：

1）單一重力作用的原始應(yīng)力場，而對(duì)應(yīng)的壓力來源于覆巖層的重力。

2）存在殘余構(gòu)造應(yīng)力的原始應(yīng)力場，而對(duì)應(yīng)的壓力來源于重力和殘余構(gòu)造應(yīng)力。

2.2 支承壓力高峰區(qū)布置巷道

當(dāng)巷道設(shè)置在承壓力的最高位置時(shí)，那么相應(yīng)的圍巖受到的動(dòng)載應(yīng)力劇烈擾動(dòng)作用，主要是由于巷道掘進(jìn)與鄰近工作面回采之間，表現(xiàn)為以下可能存在的兩個(gè)情況：

1）處于單一重力場作用下，而相應(yīng)的壓力主要是由采動(dòng)影響范圍巖層整體重量，往往可以達(dá)到應(yīng)力場的1.5～2.5 倍。

2）殘余構(gòu)造應(yīng)力的原始應(yīng)力場，不僅需要考慮不變原始構(gòu)造應(yīng)力的影響，而且還應(yīng)該對(duì)頂板斷裂擾動(dòng)應(yīng)力波進(jìn)行考慮。

3 沿空巷道圍巖合理支護(hù)原則

3.1 沿空巷道基本支護(hù)設(shè)計(jì)原則

1）當(dāng)鄰近采空區(qū)域處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而對(duì)應(yīng)的煤柱寬度處于4～6 m 情況下，對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)分析。當(dāng)巷道處于相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)應(yīng)力場的作用下，煤層直接頂自重與變形壓力為支護(hù)的主要對(duì)象。由此可以看出，在掘進(jìn)的過程中，對(duì)應(yīng)的巷道相對(duì)容易維護(hù)。由于在內(nèi)應(yīng)力場的作用下，內(nèi)煤層以及頂板裂隙處于發(fā)育階段，在進(jìn)行支護(hù)的過程中應(yīng)該防止出現(xiàn)局部冒頂與片幫，通?？梢赃x用錨網(wǎng)支護(hù)。對(duì)于破碎圍巖而言，錨桿預(yù)緊力相對(duì)較低，因此不能較好地發(fā)揮錨桿主動(dòng)加固的作用，由此必須保證錨桿預(yù)緊力是當(dāng)前必須解決的問題。

2）當(dāng)所掘進(jìn)的位置是未穩(wěn)定的采空區(qū)域時(shí)，巷道支護(hù)情況相對(duì)困難。由于沿空巷道變形較為嚴(yán)重，必須對(duì)其進(jìn)行二次修復(fù)。在巷道支護(hù)的過程中，不僅需要克服大量的支護(hù)阻力，而且還需要滿足允許的縮量。該過程不僅需要相對(duì)復(fù)雜的聯(lián)合支護(hù)，而且工程量大，以及成本相對(duì)較高。

3）對(duì)于25～30 m 的大煤柱進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，其支護(hù)形式與實(shí)體巷道相同，而支護(hù)過程中主要由埋深及構(gòu)造應(yīng)力大小決定。

3.2 動(dòng)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)）

通過分析上頁圖1 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)以及相應(yīng)的區(qū)段煤柱受力的情況可以發(fā)現(xiàn)，在該工作面回采的過程中，由于沿空巷道受到鄰近與自身工作面的支撐壓力的雙重影響，那么將會(huì)導(dǎo)致超前支護(hù)位置的圍巖變形顯著。由此可以看出，必須對(duì)超前支護(hù)進(jìn)行加固。當(dāng)前，超前支護(hù)常用的形式有單體液壓支柱配金屬頂梁與底板梁相結(jié)合的支護(hù)形式；注漿錨索支護(hù)形式；自移式巷道液壓支架支護(hù)形式。其中在使用單體液壓支柱支護(hù)的過程中發(fā)現(xiàn)，軟巖巷道出現(xiàn)支護(hù)變形能力不足以及支護(hù)較多的現(xiàn)象，這樣不僅不能充分發(fā)揮支護(hù)的作用，而且增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于自移式巷道液壓支架而言，在使用的過程中主要突出的問題有兩個(gè)方面：必須要求斷面面積比較大，頂板相對(duì)平整，否則將直接影響正常的移架；反復(fù)降架與升架，由于其對(duì)巷道頂板破壞相對(duì)嚴(yán)重，更有甚者將對(duì)頂板支護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。注漿錨索是最近比較新型的支護(hù)方式，當(dāng)頂板破碎比較嚴(yán)重時(shí)，其能夠較好地發(fā)揮作用。從發(fā)展情況進(jìn)行分析可以看出，移動(dòng)式巷道液壓支架能夠在臨時(shí)加固支護(hù)方面較好地發(fā)揮作用，當(dāng)前所使用的支架比較笨重，并且其對(duì)地質(zhì)條件要求相對(duì)較高。由此可以看出，必須要求巷道支架能夠適應(yīng)輕量化的使用要求。

4 結(jié)語

沿空巷道圍巖壓力特征能夠有效地反應(yīng)巷道的穩(wěn)定性，而支護(hù)則是一個(gè)輔助作用。在設(shè)計(jì)支護(hù)的過程中，必須充分考慮各種類型的沿空巷道的圍巖壓力特征，這樣才可以更好地進(jìn)行巷道布置，從而可以避免出現(xiàn)不利的情況?；诖?，需要對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而才可以滿足巷道布局的圍巖壓力特征。通常需要依據(jù)圍巖特征對(duì)基本支護(hù)以及回采過程中的臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。為了能夠有效地優(yōu)化沿空巷道的支護(hù)情況，通?？梢赃x用高支護(hù)阻力液壓支架。與此同時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)行的巷道液壓支架的適應(yīng)性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通?？梢詫⒃O(shè)備進(jìn)行簡化以及輕量化，這樣能夠滿足各種沿空巷道動(dòng)壓區(qū)臨時(shí)支護(hù)。今后，相關(guān)研究人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)沿空巷道圍巖動(dòng)壓特征定量化的研究。