四川芙蓉集团实业有限责任公司，四川 宜宾644500
摘要：叙永矿区是川南地区主要的煤炭生产基地之一，开采区域内地质构造多、煤层间距近、围岩性能差、遇水或采动后围岩变形量大。矿区矿井实际生产过程中矿压显现规律尚未完全掌握，特别是近些年来矿井首采保护层沿空护巷无煤柱开采条件下，对巷道围岩活动规律和控制技术研究就更显不足。该文结合矿区地质特性、原岩性能测试、前沿科研理论及广大工程技术人员的现场经验，较好的分析了巷道围岩活动规律及控制关键技术要点。通过深入的分析与总结和不断的推广与应用，具备了值得肯定的技术、经济价值，对矿井安全生产具有重大意义。
关键词：首采层、无煤柱、围岩规律、控制技术、研究与应用
1.布点及测试结论
1.1开采前巷道布点：结合现场条件，通过工程技术人员的实践观察对变形严重但尚未开采前的芙蓉叙永一矿15采区首采层C19煤层机、风巷分别进行布点测试。
测试的结论：机巷存在底鼓现象，两帮有较重的拉伸变形，塑性破坏较大，同时对C19以下煤层开采有较大影响，开采后的矿区显现可能较为严重；风巷受下层布置C24底抽巷影响，底鼓现象更为严重，同时拉伸变形、塑性破坏均有所增长，巷道两帮、底板处于高地应力条件下，存在应力集中问题。
1.2开采后巷道情况：
（1）工作面机巷采用强支护巷模式，护巷段受工作面开采后采空区顶底板应力卸载作用，巷道的上、下帮顶板处均出现大量塑性破坏，从而改变了巷帮的应力条件，巷道煤壁帮顶板所形成的“悬臂梁”结构在高应力作用下造成失稳，顶板上部存在有明显的拉伸区域，工作面采空区顶板大量拉伸变形直接垮落充填采空区，底板产生大量塑性变形。机巷高帮顶板由于受到支护作用，垮落不充分，更多的是部分直接顶垮落至工作面采空区。
（2）工作面风巷上帮由于受巷旁矸石带墙柔性支护作用，部分顶板垮落充分，充填采空区密实，工作面顶板应力得到充分释放，产生的大量塑性变形和拉伸破坏使得岩块向采空区位移，从而充填采空区。风巷高帮仍处于高应力条件下，顶底板及右帮经工作面采空区卸压作用后所受应力较低。
2.围岩破断特征
采场上覆岩层的原始应力平衡状态被打破后，迫使巷道围岩应力重新分布并达到平衡，随着工作面的推进，这一过程不断循环。开采煤层平均倾角在15°左右，应力平衡被破坏后必将引起上覆煤岩体的法向及切向变形和破坏，岩层发生运移，产生大量采动裂隙，随着时空效应演化，法向采动裂隙逐渐闭合，但切向剪切变形促使岩层发生台阶式错动，破坏了上覆煤岩层的结构。
（1）上行沿空护巷条件下，顶板的垮落形态如图2-1所示，顶板为一端悬空没有岩层支承、另一端固定的“倾斜组合悬臂梁”。图中锚索为补打的“斜拉式锚索”，其他的为原有锚杆锚索，采用该技术能有效抵挡顶板的“拉剪式”破坏，将用锚杆锚索形成起来的“组合悬臂梁”通过锚索的拉力固定在顶板坚硬岩层中，从而形成稳定的“斜拉式组合悬臂梁”结构。
（2）下行沿空护巷条件下，顶板悬臂梁会受到下帮顶板岩层的一个向上的“推力”，故根本不会由所谓的“下滑力”，如图2.2所示，而且“悬臂梁”的另一端会受到垮落矸石的支承，则其回转下沉的趋势将会更一步减弱，这就是为什么在下行沿空护巷条件下采用斜拉式锚索来对顶板岩层进行支护。
3.破坏原因分析
沿空护巷经过其上覆岩层剧烈活动后顶板往往会出现不同程度离层破碎现象。根据资料统计分析，认为护巷顶板变形破坏原因主要表现在以下几个方面：
3.1顶板支护结构稳定性弱，离层区域多，离层变形大。由于直接顶软弱、基本顶和直接顶物理力学性质差异大、顶板锚杆(索)支护体系脆弱，尤其是普通锚杆(索)联合支护整体协调性较差，在高地应力条件下巷道开采后短期内顶板即出现离层和下沉现象，并随服务时间增加而延伸、扩大，致使顶板呈现多区域离层和离层域大的不稳定状态。在护巷顶板剧烈活动过程中，当形成的锚固体强度较低或支护结构出现破坏时，变形将快速增大，锚杆螺母脱落失效、钢带撕裂、锚索破断、锁具滑移后退或连同小托盘嵌入顶板岩层中较多。
3.2顶板岩层倾斜下沉角度大，各岩层之间滑移错动剪切破坏，裂隙发育。护巷初期巷旁充填墙体支护阻力偏低，不能使顶板及时沿采空区侧切落，上覆岩层剧烈活动导致基本顶在实体煤帮深处破断并向采空区一侧回转下沉，直接顶随其一同倾斜，顶板倾斜角度可达 25°乃至以上。由于顶板各岩层的岩性、变形参数、挠曲半径及分层垮落时间不同而发生层间滑移错动和离层，且靠采空区一侧顶板离层量明显大于中部和实体煤帮侧顶板离层量，易导致巷旁充填区域顶板和巷内支护顶板衔接的薄弱区域发生严重切顶，部分厚层直接顶护巷切顶高度可达 1.0 m 以上，致使护巷断面不能满足要求。
3.3实体煤帮向巷内移近量大甚至发生片帮，承载能力下降，造成顶板沿实体煤帮切落下沉。靠采空区一侧为护巷的充填墙体，另一侧为实体煤帮，由于两帮介质属性、结构位态、受采动影响程度、矿压显现等不同且具有明显不对称性，造成两帮协调承载难度较大。在采场侧向支承压力作用下，若实体煤帮锚杆(索)支护体难以有效抵抗煤体向巷内持续变形，其浅部煤体松扩变形至片帮将使其失去对顶板的有效支撑，相当于增加了顶板的跨度，易导致顶板沿实体煤帮切落下沉。
3.4护巷顶板跨度大，顶板岩层(尤其是浅部岩层)承受拉应力高且受扰动敏感性强，呈现出大范围碎裂状态。达到3.5m及以上的大跨度巷道顶板中部形成较大的拉应力区，浅部岩层呈现不均匀弯曲变形开裂。又因护巷不同阶段(尤其是护巷前期和过渡期)顶板浅部岩层与巷内支护体相互作用，反复“顶-压”扰动，导致浅部顶板更加破碎。巷道轴线方向浅顶板中部受扰动变形敏感性最强，局部漏冒或大变形易造成更大面积破坏冒落现象。
4.沿空护巷支护设计原理与方法
4.1煤层巷道支护分区
根据巷道顶围岩破坏原因分析，提出巷道支护如图4-1的5大区：其中是A区顶板回转变形支护区，B区两帮剪切滑移破坏支护区，C区底板拉压破坏支护区，D区充填体压缩剪切破坏支护区，E区基本顶大挠度变形悬臂处理支护区。
围岩支护可根据锚杆、锚索的(斜拉式)组合梁、压缩拱、减跨进行处理，并适时提高围岩围压提高岩体强度，或通过卸压方法降低支护载荷。特别是针对充填体单轴压缩剪切破坏支护区(D区)采用高强度锚栓提高充填体承载能力，采用梯子梁或W钢带进行整体性维护和面力控制；针对基本顶大挠度变形悬臂处理支护区(E区)可采用人工切放顶或具有高预紧力的高强度锚索进行处理。
4.2加强支护
当受到工作面超前支承压力影响后，巷道围岩变形与破坏范围会显著增加。为了保持巷道围岩稳定，同时断面能够满足生产要求，应进行超前加强支护。加强支护方式主要有2种：单体支柱配顶梁和专门设计的超前支护液压支架。对于沿空护巷，不仅受到工作面超前支承压力的影响，更主要的是工作面采过以后，一侧煤帮不复存在，采动影响更加剧烈，而巷旁充填体的设置并达到所需的强度需要一定的空间与时间。在这个空间与时段内，必须设置高阻力的加强支护，阻止顶板下沉，控制顶板岩层离层，保持顶板的完整与稳定。
4.3巷旁支护
巷旁支护有多种形式，尤其以充填或混凝土柔模为佳，巷旁支护应注意以下几点：
(1)支护体强度。巷旁支护体在工作面顶板垮落过程中应具有足够的强度切断直接顶岩层。一方面，要求充填体从开始充填到达到最大强度的过程中，强度的增加应与顶板下沉、来压步距与时间相适应；另一方面，充填体最终强度必须达到一定数值，巷旁支护达到合理的支护阻力，才能保持护巷的长期稳定。
(2)支护体性能。巷旁充填体不仅要有较高的强度，而且应具有较好的变形性能，以适应基本顶岩层旋转下沉引起的变形。沿空护巷服务时间长，要求充填体同时具有较高的长期强度与足够的变形性。此外，巷旁充填体不能产生较大的侧向变形，以保证护巷有足够的断面积，满足生产要求。
(3)施工工艺。巷旁充填一般采用泵送的方式，要求充填材料应有良好的泵送性能。充填体的构筑应紧跟采煤工作面，构筑速度应能满足工作面推进速度的要求。充填体上方的顶板必须预先进行锚杆与锚索支护，使顶板保持完整与稳定，避免顶板破碎与冒顶，是确保巷旁充填支护成功的必要条件。
(4)支护成本。要求巷旁支护不仅在技术上能满足要求，而且成本不能太高，否则不利于大面积推广应用。目前，巷旁充填材料主要有高水充填与膏体充填材料。膏体充填材料一般以水泥、粉煤灰、石子、砂和少量外加剂组合而成。
5．结语
首采层无煤柱条件下巷道围岩活动规律及控制支护技术在矿应用成功后，使该矿无论是在效益提升或技术进步上都向前迈进一大步。巷道支护效果明显，一方面采用该技术后巷道返维量大幅度降低，节省了人力和物力再次投入量；另一方面解决技术难题后坚定了极近距离无煤柱开采大面积推广的信心，具有了推广应用价值。
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作者简介：文德才（1966年10月- ），男，高级工程师，2007年毕业于西安科技大学采矿工程系，四川芙蓉集团实业有限责任公司副总工程师，长期从事科研与技术管理工作， Emai：Wendecai1966@126.com。
论文作者:文德才
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：顶板论文; 巷道论文; 岩层论文; 工作面论文; 围岩论文; 采空区论文; 应力论文; 《城镇建设》2019年第14期论文;