综放沿空巷道不对称破坏特征及其原因分析

张守宝，皇甫龙，陈恭昱，刘志高，陈熙凌，杜苇航

（中国矿业大学 （北京） 能源与矿业学院，北京 100083）

0 引 言

近年来我国煤矿矿井数量由30 000 多座减少到了3 000 多座，单井生产的集约化程度有了大幅度提高，很多大型矿区的工作面布置都采用带区式顺序开采，这种方法在开采设计时较为方便，但是在生产时每一个工作面都会出现沿空巷道。在厚煤层开采情况下，开采空间的加大会造成采场采动影响范围加大，矿压显现程度更加剧烈[1-2]。带区式顺序开采的主要特点是在工作面开采后期，需要将临近工作面预先准备完成，以保障煤炭开采的有序衔接，因此，在当前普遍采用留煤柱护巷的矿压控制技术下，接续工作面的1 条巷道需要经过先采工作面带来的侧向矿山压力的严重影响，侧向压力的一侧传递必然会造成沿空巷道矿山压力的不对称显现[3-5]，加上煤矿开采深度逐渐加深，在深部会形成高度的高应力，加剧不对称显现[6-9]。中煤王家岭煤矿在采用综放开采时沿空巷道出现了剧烈的矿压显现，造成巷道出现不对称变形破坏，严重影响了生产。本文从王家岭煤矿的沿空巷道不对称破坏出发，详细描述巷道不对称变形的特点，全面分析造成巷道不对称破坏的原因，为找寻巷道治理出发点，进行有效的沿空巷道矿压控制提供决策依据。

1 综放沿空巷道维护方式与煤柱类型

综放沿空巷道的形成方式主要有2 种，即沿空留巷和沿空掘巷，2 种巷道的形成时间为主要区别，沿空留巷巷道的形成时间是先于上区段工作面开采完成，而沿空掘巷的巷道形成时间则是后于上区段工作面开采完成。因此对于顺序条带式开采的布置方式来说，沿空掘巷不能满足采掘接替，所以只能采用沿空留巷方式。

对于沿空留巷的护巷方法按照有无煤柱的实际情况可分为无煤柱护巷和有煤柱护巷，无煤柱护巷需要在回采的同时采用留巷技术，保留上区段的一条巷道为下区段服务，但是在高瓦斯、漏风量大、围岩软弱等困难条件下，难以实施；因此对于大型综放面沿空留巷普遍采用有煤柱护巷的方法。

综放沿空煤巷在使用留煤柱护巷时，煤柱按宽度可分为2 类：一类是宽煤柱，即在2 个相邻区段工作面间留有较大距离煤柱掘进下区段巷道，此类煤柱稳定性较好，但资源浪费巨大；另一类是窄煤柱，2 个相邻区段工作面间留有较窄煤柱掘进下区段巷道，此类煤柱按照矿压规律将煤柱布置在应力降低区，也能保持较好稳定性，同时实现了资源的高效回收，因此，得到了较好的推广和应用。

在不同矿山生产地质条件下，需要不同的煤柱设计尺寸和支护方式，才能维护煤柱的稳定；在宽煤柱和窄煤柱维护巷道的实践中也出现了由于设计参数的不合理，导致的巷道失稳问题，所以需要在现场调查的基础上，总结巷道变形破坏特点和规律，从而推断导致巷道产生破坏的原因。

2 综放沿空巷道围岩变形破坏特征

2.1 宽煤柱巷道变形破坏特征

以王家岭煤矿为例，该矿主采煤层为2 号煤，煤层赋存条件较好，平均倾角为3°，属于近水平煤层；煤层厚度6.2 m，局部含1 ～2 层夹矸；煤层上方为节理裂隙发育的2.0 m 砂质泥岩和完整度较好的厚度达9.6 m 的细砂岩，其中细砂岩上覆岩层的主要持力层，底板为1.61 m 的泥岩。综放煤巷的设计宽度为5.2 m，高度为3.5 m。两区段间煤柱宽度为20 m。综放沿空煤巷矿压显现大部分时间变形量并不剧烈，仅在上区段工作面回采经过的阶段，矿压显现才较为严重。

（1） 巷道实体煤帮变形量较大，局部鼓出严重。在采动支承压力影响下，实体煤帮出现贯通性节理裂隙，造成浅部围岩碎裂或片帮失稳，形成鼓包现象，鼓出量200～300 mm。

（2） 煤柱帮矿压显现剧烈。煤柱帮矿压显现现象相比实体煤帮严重。煤柱帮变形鼓出量大约300～450 mm。局部区域的大块片帮煤体形成网兜后发生撕裂破坏，帮部玻璃钢锚杆随围岩破坏出现托盘接煤不实而失效，多处煤帮脱落形成片帮，帮部锚杆悬露，支护完全失效，巷道危险性加大。

（3） 顶板冒顶下沉量大。顶板整体下沉量呈现中间大，两边小，但是煤柱帮肩角处发生切落下沉，下沉量比实体煤帮量大一些。多处锚杆索支护失效，钢筋钢带扭曲变形和拉断，局部区域发生顶板漏冒，冒高一般在200～600 mm。

综上得出，综放宽煤柱沿空巷道在20 m 煤柱条件下，在上区段工作面经过时出现了局部区域的围岩变形破坏和锚杆支护失效，从变形特征分析上看，巷道两帮都发生了较大的鼓出变形，但是在煤柱帮的变形量和破坏程度较严重，出现了片帮和锚杆支护失效的情况；在顶板变形方面则出现煤柱帮切顶，而实体煤帮仅下沉的区别；也就是宽煤柱沿空巷道的变形和破坏呈现出煤柱侧比实体煤帮严重的特征，从变形量上看，具有明显非对称性。

2.2 窄煤柱巷道变形破坏特征

综放窄煤柱沿空煤巷选择煤柱宽度为8 m，将巷道位置设置于应力降低区范围内，可以在缩小煤柱提高回收率的同时，保持巷道的变形量在可控范围内。但是由于煤柱较小，因此受到相邻综放面覆岩运动及其引起的高支承压力影响就越大，以王家岭煤矿为例，综放窄煤柱沿空巷道围岩由于采动影响造成的变形破坏特征如下。

（1） 顶板发生显著的不对称变形。煤层巷道由于煤体本身节理裂隙发育和采动影响，在巷道掘进形成过程中，由于与相邻工作面的对采对掘影响，呈现出变形的持续性。巷道在使用过程中顶板出现明显的不对称下沉，其中在靠煤柱侧顶板下沉量较大，最大值超过350 mm，在靠实体煤侧顶板下沉量相对较小，约为150 mm；从破坏程度方面，靠煤柱侧顶板破碎较为严重，并且破碎岩体聚集于顶网内形成较大的鼓包，局部甚至出现锚网破碎，形成冒、漏顶现象。

（2） 顶板发生明显的水平挤压变形。在上区段工作面开采过后的沿空留巷区域，顶板岩层内的采动应力造成顶板发生强烈水平运动，在顶板岩层下沉范围内，由于相互水平挤压形成了明显挤压破碎带，破碎带一般沿巷道走向延伸，间隔一定距离出现，长度在10～34 m；在此类水平挤压运动条件下，现有的锚杆索垂直支护结构难以适应顶板强烈水平变形，造成顶板W 钢带严重下沉弯曲，发生远离顶板、钢筋钢带弯曲下沉、金属网破断等，支护护表系统失去维护性能，严重降低支护效果。

（3） 巷道肩角部位发生严重剪切破坏。沿空巷道在侧向采动应力影响下，巷道顶板靠煤柱侧的肩角区域顶煤出现台阶式下沉，台阶距离巷帮200～400 mm，台阶下沉量为150～300 mm，台阶区域与其它区域间有明显的剪切滑动破坏面，台阶内煤岩体较为破碎，破坏了支护系统的正常形态，造成钢筋网和钢筋钢带拉伸、弯曲变形，甚至断裂和支护系统损毁。

（4） 巷道受采动影响阶段多，变形持续时间长。窄煤柱沿空巷道自掘进完成，先后经历掘进影响期、掘进稳定期、上区段采动影响期、采后稳定期和本区段超前影响期，巷道服务时间长，采动影响程度高，变形量大。掘进完成后90 d 内，巷道变形持续发展，且时常会听到“煤炮”声响，巷道变形稳定时间超过120 d，上覆岩层运动导致巷道围岩处于长期应力不平衡状态。在前2 个阶段巷道顶板变形量可达400 mm，平均变形速率为3.43 mm/d，此阶段变形主要以顶板垂直变形为主，在第三、四个阶段影响下，变形量进一步增加，最大超过500 mm，此阶段变形以水平破坏和垂直变形共同形成。

综上可以得出，综放窄煤柱沿空巷道变形过程是伴随着开挖巷道成型开始的，其变形持续时间长，变形量大，变形特点主要为发生煤柱侧和实体煤侧差异性大的不对称变形，不同变形阶段分别产生垂直应力导致的下沉变形和水平应力导致的挤压变形。

3 综放沿空巷道围岩变形破坏的原因分析

3.1 宽煤柱巷道变形破坏原因分析

在20 m 煤柱宽度条件下，沿空巷道局部出现了较为严重的变形和破坏，发生破坏的时间多为上区段工作面经过时，通过分析巷道所处煤层和采区的地质生产条件，得出其变形破坏的主要原因包括2 点。

（1） 煤柱宽度不足。在宽煤柱护巷条件下，护巷煤柱宽度是决定沿空留巷稳定性的主要因素之一，实践表明，在该采区6.2 m 厚综放开采条件下，采动空间的加大造成采动影响范围的增加，20 m 宽度煤柱护巷在采动影响严重阶段时，出现了明显的巷道变形甚至破坏，说明20 m 宽度煤柱并不能有效降低采动应力对沿空巷道的影响。

（2） 采动应力影响。宽煤柱沿空巷道在掘进影响期内巷道变形量并不大，但是随着上区段工作面的邻近，巷道受到采动侧向支承压力的影响越来越严重，由于宽煤柱的影响，此时侧向支承压力的方向主要以垂直应力为主，只是由于应力大小的不均匀性，造成了沿空巷道的变形和破坏呈现出明显的不对称特征。

3.2 窄煤柱巷道变形破坏原因分析

窄煤柱沿空巷道在护巷煤柱为8 m 时也出现了较为剧烈的矿压显现，其中顶板变形的特征尤为明显。无论是从实体煤帮到煤柱帮的不对称变形，还是从肩角处的台阶下沉到顶板中部的挤压—松扩变形，都出现了明显与宽煤柱护巷的不同特点，通过分析得出原因如下。

（1） 窄煤柱沿空巷道发生严重的不对称变形原因在于采动产生的侧向支承压力在巷道围岩上的非对称分布，由于靠近上区段采空区，上覆岩层基本顶破断位置更加接近巷道，造成巷道围岩承受的侧向采动影响为水平应力和垂直应力的组合集中影响区，从而形成变形破坏的不对称。

（2） 巷道变形破坏的力源主要来源于上覆岩层破断过程中产生的水平力和采动侧向垂直支承压力。垂直支承压力作用于顶板主要产生垂直变形，由于巷道位置处于应力降低区，在巷道范围内应力分布的不对称使顶板垂直变形出现加大差异；另外采动水平力作用于巷道顶板形成挤压—松扩变形，在挤压区形成顶板菱角型突出，钢带弯折变形，在张拉区出现巷道拉伸破坏，出现裂缝。

（3） 巷道肩角处出现台阶下沉的原因在于巷道尖角附近为剪切应力集中区，剪切应力作用下巷道顶板发生剪切滑移破坏，形成沿剪切滑动面的差异性下沉台阶。

4 结 论

在集约化条带开采模式下，不同护巷方式的综放沿空巷道在不同阶段均发生不对称变形破坏，通过研究和分析得出主要结论。

（1） 宽煤柱护巷条件下，巷道发生不对称破坏主要体现在两帮的不对称鼓出和顶板的不对称下沉，这种不对称主要是由于煤柱宽度不足和垂直应力的不对称形成的。

（2） 在窄煤柱护巷条件下，巷道发生不对称变形破坏主要体现在顶板的不对称变形，具体为在顶板的台阶下沉和挤压—松扩变形，这是上区段采动产生的水平力和垂直应力共同作用的结果。