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(dòng)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(dòng)壓力及本工作面采動(dòng)壓力的動(dòng)載作用方式、動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)壓力和本工作面采動(dòng)壓力等多次動(dòng)壓影響，從動(dòng)壓特征角度，對(duì)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(dòng)壓力、后方采動(dòng)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(dòng)壓力作用期間，頂板運(yùn)動(dòng)劇烈，動(dòng)壓特征顯著，對(duì)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(duì)頭或追尾施工（動(dòng)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(duì)頭或追尾施工兩種方式，屬于動(dòng)壓影響區(qū)掘進(jìn)，通常是應(yīng)該避免的。該類巷道的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)壓特征類似，且由于巷道緊靠采空區(qū)，其動(dòng)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。可見，其沿空巷道的動(dòng)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(dòng)載應(yīng)力劇烈擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)應(yīng)力波作用也將十分顯著。

對(duì)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(duì)深部高應(yīng)力條件沿空巷道是十分有利的。

對(duì)2.2（3）情況的小煤柱沿空巷道，頂板劇烈運(yùn)動(dòng)雖已停止，但頂板壓縮矸石的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)載影響，而采用相對(duì)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(dòng)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)。可見，加強(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(duì)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(huì)很快松弛，不能充分發(fā)揮錨桿的主動(dòng)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(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)）

由圖1的工作面覆巖運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(shì)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(dòng)壓劇烈時(shí)，不能發(fā)揮信號(hào)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(shì)。從發(fā)展趨勢(shì)看，發(fā)展自移式巷道液壓支架，是解決動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)壓力對(duì)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(tái)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(duì)控制順槽頂?shù)装遄冃?，減輕小煤柱所受動(dòng)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(dòng)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?，頂板下沉?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(dòng)壓影響階段及3303綜放面超前支承壓力影響等3次動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)煤柱幫及底板進(jìn)行擴(kuò)幫和起底。

（4）3303綜放面采動(dòng)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(dòng)），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(dòng)）。可見，38 m煤柱中一次、二次采動(dòng)全過程應(yīng)力分布為雙峰型、非對(duì)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(dòng)壓影響。

巷道變形觀測結(jié)果分析：

巷道變形，是采動(dòng)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(dòng)、二次采動(dòng)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(dòng)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(dòng)壓影響。

（2）二次采動(dòng)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(dòng)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(dòng)壓區(qū)域的中等煤柱沿空巷道，其圍巖壓力特征近似為動(dòng)載應(yīng)力劇烈擾動(dòng)作用；位于動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)壓區(qū)臨時(shí)支護(hù)。關(guān)于沿空巷道圍巖動(dòng)壓特征的定量化問題，仍是今后需要研究解決的重要課題。