淺析常村煤礦31101綜采工作面沿空留巷柔模(局部)變形因素和治理方案

王虎偉

(潞安環能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046204)

1 概 述

1.1 問題提出

根據常村煤礦實際情況巷道圍巖的穩定性主要存在的問題基本體現在31101綜放工作面本區段的采動影響。31101綜放工作面超前支護采用的是膠帶巷超前維護距離動態不小于30 m，0～10 m采用一梁三柱單體柱π型梁(4.6 m)棚支護，排距800 mm，10～30 m采用一梁二柱單體柱π型梁(4.6 m)棚支護，棚距800 mm；進風巷超前支護長度動態保持30 m，采用單體柱π型梁(3.6 m)棚支護，前10 m為一梁三柱，10～30 m為一梁二柱，排距800 mm，在單體柱π梁棚與里幫煤墻間交錯架設兩排一梁二柱單體柱π型梁(1.8 m)抬棚，棚距800 mm。

31101綜放工作面推進過程中，由于大面積的回采，該工作面前方的煤體上造成了超前支撐壓力作用，從而影響了巷道的服務年限間內的圍巖變形和破壞。這樣無法保證巷道的斷面形狀和尺寸，為人員和設備的安全施工提供可靠有利的條件。

為了節能降耗，提升31101綜放工作面的煤炭資源回收率、降低巷道的維護成本和再次掘進率，逐步開始對31101綜放工作面的沿空留巷、沿空掘巷進行了對實際情況開始探索研究。31101綜放工作面沿空留巷是構筑巷旁支護結構，在受到采區巖層劇烈活動的影響下，巷道頂底板還是兩旁都受到劇烈的影響，無論是頂底板還是兩幫都產生不同的變形巷道造成維護困難。根據實際研究表明，做出了對巷道圍巖變形的主要措施：①使用合理的主動支護來控制巷道圍巖的變形；②載荷體的圍巖變成承載體來控制圍巖的變形；③使用合理的方法增加圍巖強度從而減小巷道的圍巖變形。由于巷道的布置位置受到地質條件和開采條件的限制，部分沿空留巷的顯現規律出現了不同的變化，因此還需要再次深入研究31101綜放工作面沿空留巷的礦壓顯現規律，并選擇合理的煤柱設計來控制和保證巷道穩定性，從而保證安全生產和節能降耗，成為學者和煤炭企業領導人關注的焦點。

常村煤礦是潞安集團主要生產礦井，受礦區規劃、布置和歷史人文等因素的影響，巷道和采空區屬于復雜型。常村煤礦31101綜放工作面西部為31102綜放工作面(未回采)，北部為輔助回風大巷，南部為礦界，東部為待掘的沿空掘巷。31101綜放工作面與待掘巷道成異型煤柱，保留煤柱為1.5～20 m。與31102關系為留窄煤柱進行沿空掘巷，受采空區影響劇烈，柔模圍巖變形，形成了巷道支護困難。

1.2 研究現狀

1) 合理的煤柱留設研究。

2) 綜放工作面的沿空留巷、掘巷礦壓顯現規律。

3) 綜放工作面的沿空掘巷、留巷的圍巖控制與支護技術。

1.3 研究方法及技術路線

1.3.1 煤柱(柔模)的強度研究

1) 根據大板裂隙理論對煤柱(柔模)進行強度研究，按照31101綜放工作面采空區的走向剖面作為邊界受載荷作用的大板中的一個孔口，根據彈性斷裂理論計算孔口端部的煤柱應力變化情況。

2) 核區強度不等理論的研究。綜合采用長煤柱的破壞面積計算，將煤柱的實際應力和核區強度相結合，總結計算出核區不同位置和不同強度。因常數復雜、變化性過大，從而減少了實際的實用性。

3) 極限平衡理論。煤柱的頂面和中性面所受的垂直應力的分布狀態，結合彈性理論相關公式計算條帶開采中的采空區的應力變化情況，從結論中做出對不同的地質構造和特殊的地質條件中長臂條帶開采對煤柱的留設做出選擇，結合應力的平衡計算方式和庫倫準則計算出留設煤柱的應力極限平衡區的寬度。

1.3.2 煤柱(柔模)荷載理論研究

有效區域理論、壓力拱理論和AHWilson的兩區約束理論。

1.4 沿空掘、留巷圍巖控制和支護

國外的“壓力拱假說”、“新奧法”和“能量支護理論”統一基本定論是通過加強支護結構將圍巖的應變控制在許可范圍內，因而主張利用支護結構和圍巖的相互作用共同成為支撐環，在支護作用下，雖然吸收并釋放了部分能量，使其能量的總和沒有改變，從而支護結構調節圍巖的釋放能量和支護吸收的能量可以相互調節。但是“壓力拱假說”對圍巖卸載的原因、巖層的變形、破壞和發展過程和圍巖與支架的相互作用并未做出明確的解釋。

國內以“軸變理論”、“開挖系統供應理論”為主；巷道的圍巖破壞自巷道開挖后地應力受到巷道垮落而產生變化，根據巷道的彈塑性理論來分析，巷道的垮落也可以自行穩定，巷道的圍巖破壞是地應力超過巖體強度的極限引起的，垮落后改變了巷道的軸比，致使應力重新分布，從而造成了高應力下降低應力上升的情況，導致向無壓力的地方均勻分布發展，直到穩定之后停止。在應力均勻分布軸比成為巷道穩定的軸比，形狀為橢圓形。巷道開挖后破壞了巖體基本平衡，因此存在相關的組織功能，能改變圍巖變形和支護的結構力能進行現場檢測，驗證了其可行性和科學性。

2 綜放工作面沿空留巷、沿空掘巷的應力分布規律

31101綜放工作面在回采放頂之后，由于31101工作面的地質條件影響的情況下，沿空留巷的方向由于煤層的采放厚度較大，也無法做到一次全部垮落，從而導致垮落的矸石根本不能滿足充滿采空區部分，導致老頂在采空區的邊緣發生斷裂，并使老頂基于下沉狀態，頂板的彎曲狀態也存在變化，最后導致向采空區方向傾斜，直至最后發展成為向煤體內轉移的情況。在此過程中受采動的影響，工作面的超前10 m范圍內，巷旁的充填體受到了垂直應力的作用下開始對稱分布，距離超過超前距離時出現了非均勻的下沉情況，特別是在二次采動的過程中這種現象更加明顯。頂板的斷裂角度加大時，巷道的圍巖應力得到很大的改變空間，這點為31101工作面的沿空留巷創造了最佳條件。

31101工作面回采后沿空留巷形成了內部的相關破碎區，承載能力相對較小，相反方向31101綜放工作面方向采煤放頂的同時形成超前支撐壓力，在超前支承壓力的作用下煤柱進一步壓碎破碎，使頂板再一次發生斷裂，巷道壓力及變形極具加大。沿空掘巷、沿空留巷在巷道壓力作用前維護較容易，受采動超前支撐壓力時維護造成了困難。

3 31101綜放工作面的沿空留巷的圍巖控制原理

3.1 窄煤柱穩定是控制圍巖穩定的關鍵因素

為了提倡集團公司節能降耗不浪費煤炭資源，留設窄煤柱是減少煤柱損失，最大程度提高煤炭的回收率，窄煤柱留設的最佳選擇。但窄煤柱必須要設計出一個合理的寬度，不僅具有巷道支護體載荷力小，還要保留巷道的圍巖完整。煤柱留設的寬度選擇對巷道圍巖的變形影響，主要存在以下幾個方面：①頂板下沉；②實體煤幫的移近，主要體現在向采空區的側水平位移和巷道方向位移。根據31101工作面的位置關系和極限平衡理論煤柱的計算公式：B=X1+X2+X3；X1為采空區側煤體的塑形寬度；X2為煤柱的穩定系數，取值為X1+X3的50%；X3為錨桿的有效長度。

3.2 使用高阻讓壓支護來控制圍巖變形

由于受到31101工作面的地質條件的影響下，應力明顯增加出現巷道的地板鼓起，頂板下沉和兩幫發生位移的變化，造成了巷道的多次維護。體現出了回采過程中產生的靠近采空區的單側壓力集中向煤柱產生壓力，造成了原始應力的靜壓狀態。造成了支護作用的阻力也不能阻止圍巖的變化和充填體的變形狀態。再加上回采巷道的服務年限沒有達到最高設計要求，在允許的情況下，可以產生部分微小情況下變形狀態，31101工作面的留巷支護在具有高壓阻力的條件下，還要具有巷道比較大的變形性能，從而防止在高支撐壓力情況下的破壞和其他不穩定因素的破壞，應用高阻讓壓支護在控制綜放沿空掘巷掘進巷道圍巖變形得到更好的控制。

3.3 在使用高強度錨桿支護強化巷道圍巖的強度的實驗研究

巷道的圍巖是個承載體，支護和圍巖是不可分離的共同承載者。錨桿支護實現了主動支護、及時支護合理的密度放射狀布置，保留了主動擠壓控制圍巖的整體性。高強度錨桿支護的屈服強度、抗拉強度和延伸率有效改變了巷道環境，使用高強度錨桿支護產生的預應力場滿足了巷道應力分布需求。在高強度錨桿支護作用下，有效控制應力的分布狀態，改善了巷道的穩定情況。

4 31101綜放工作面的沿空留、掘巷實際情況和處理方法

目前31101工作面沿空留巷已留巷785 m，目前巷道部分區段受應力變形嚴重，現將巷道內受應力變形區域分類簡述如下。

4.1 頂板下沉明顯，需挑頂處理區段

1) 40～120號柔模包位置(全長155 m)及措施巷口(距工作面切眼639 m)，該區段主要表現為頂板下沉明顯，下沉量為810～1 000 mm，且局部出現墜包，巷道最低點位于110號包，巷道最低點高度為2.36 m，部分頂板已經擠壓綜合管網，該區段已打設木垛7個，近期該區段巷道穩定，變形量未擴大。

2) 149～156號柔模包位置(距工作面切眼400 m，全長28 m)，該區段主要表現為頂板下沉明顯，下沉量為700～1 000 mm，且局部出現墜包，巷高范圍為2.4～3.2 m，部分頂板已經擠壓綜合管網。

3) 183～185號柔模包位置(距工作面切眼305 m)，巷道頂板整體下沉，下沉量為600～1 000 mm，巷高范圍2.4～2.9 m。

4.2 底鼓明顯，需拉底處理區段

1) 23～27號柔模包位置(距工作面切眼840 m)，該區段底鼓最大高度達800 mm，巷高范圍為2.6～3.0 m。

2) 130～144號柔模包位置(距工作面切眼485 m)，該區段底鼓最大高度達1 000 mm，巷高范圍為1.7～2.6 m，部分頂板已經擠壓綜合管網，該位置巷道中部已經拉底，拉底寬度0.8 m，深度0.6 m。

3) 189～201號柔模包位置(距工作面切眼255 m)，該區段主要表現為巷道底鼓及頂板墜包，底鼓最大高度達800 mm，目前外圍隊組正在該區域拉底。

4.3 頂板墜包，需挑頂處理的區域

頂板墜包主要分布在80號、85號、93號、94號、96號、188號、191號、192～193號、196號、207號、208號、209號和240～243號這些區段受巷道頂板墜包影響，巷高范圍為2.2～2.8 m，部分墜包與上部巷道頂板離層，巷道頂板π型梁被墜包包裹或變形，這些區域需挑頂處理墜包。

4.4 錨桿、錨索失效，需補打錨桿、錨索區段

目前沿空留巷中柔模側頂板錨索失效情況較為嚴重，22～202號柔模位置靠柔模側錨索普遍失效；錨桿失效嚴重區域在171～178號柔模區域，該區域現補架單體柱棚15架，但為保證巷道斷面還需及時補打錨桿、錨索。

4.5 外幫煤墻變形，需擴幫區段

沿空留巷從216號柔模包(距工作面210 m)位置幫部鼓出加劇，其中最嚴重區域位于207～208號柔模包(距工作面230 m)、202～204號柔模包(距工作面242 m)，最大鼓出量550 mm，這兩個區段外側煤墻已擠壓支護單體柱，需及時回柱并重新打設。

4.6 沿空留巷中單體柱死柱集中，需及時回柱補打單體柱區域

43～49號、132號、180號、183～185號和200～201號柔模包位置單體柱死柱數量較多，需及時處理。

4.7 沿空留巷中柔模包剪切破壞情況

31101工作面沿空留巷共計有12個柔模包出現明顯的剪切破壞，分別是77號、87號、92號、93號、94號、95號、98號、102號、107號、110號、114號和117號。

4.8 目前沿空留巷支護情況說明

掘三隊六組頂板及煤幫聯網開始位置位于218號柔模包，工作面回棚已經回至216號柔模包，靠近工作面切眼最近的沿空巷變形位置位于243號架(距切眼110 m)，該區域單體柱出現彎柱，頂梁斷裂。

常村煤礦所采煤層為3號煤層，賦存于二疊系山西組地層中，為瀉湖泊相沉積。31101綜放工作面處于背斜西翼，煤層厚度穩定，工作面煤層厚度6.7～7.1 m，平均煤厚6.9 m。全煤中間夾有一層夾矸，厚度為0.1～0.35 m，平均厚度為0.2 m。煤層傾角為0～10°，平均2°。煤層埋藏深度為404～425 m，距9號煤層平均距離為59.9 m。煤層老頂為細砂巖、粉砂巖組成，厚度在12～25 m；直接頂為泥巖、砂質泥巖厚度在5～13 m；偽底為砂質泥巖，厚度在0.2～0.4 m；直接底為粉砂巖、細砂巖組成，厚度在1.2～4.5 m；老底為砂質泥巖組成，厚度在5～15 m。采用綜合放頂煤采煤法，沿空留巷采用高強度錨桿支護，沿著煤層底板掘進。

因此31101綜合放頂煤工作面的沿空留巷巷道的支護具有較高阻力的同時，還應具有較大的變形發生的可能，從而使圍巖的變形能量得到釋放而讓壓作用，導致圍巖變形失去控制而失去穩定性。高阻讓壓支護控制工作面的嚴控掘、留進巷道圍巖變形。

5 結 語

1) 高強度錨桿支護的屈服強度、抗拉強度和延伸率有效的改變了巷道環境，使用高強度錨桿支護產生的預應力場滿足了巷道應力分布需求。在高強度錨桿支護作用下，有效控制應力的分布狀態，使應力想多向應力分布狀態，改善了巷道的穩定情況。

2) 提高窄煤柱的承載能力、維護其穩定性，從而加大巷道的服務年限和維修成本。

3) 及時對沿空留、掘巷的小變形階段在開始階段進行維護。

4) 合理有效布置巷道，使原巖應力的重新分部存在的問題減少，減少破壞原巖應力的平衡狀態，引起應力轉移的狀態。