采场附近巷道围岩控制

第十一章采场附近巷道围岩控制由于采场上覆岩层大范围运动和垮落，对采场附近巷道形成强烈的动压影响，使巷道维护状况严重恶化。

采场附近巷道围岩控制，成为矿山巷道的难点和重点。

动压影响巷道围岩控制首先要合理确定巷道与采场之间的相对位置，然后是选择适合动压巷道变形特点的支护与加固方式。

第一节采场附近支承压力分布规律如本书第1编所述，在回采工作面推进过程中及回采结束后，由于上覆岩层自下而上逐步冒落、破断与沉降，将在回采工作面周围形成动态的及静态的支承压力，如图11-1所示，在回采工作面四周煤体或煤柱上出现应力集中现象，在采空区内出现应力降低现象。

图11-1 长壁工作面周围垂直应力的分布可以采用实验室模拟实验、现场实测或数值计算等方法，近似估计支承压力的分布规律，包括峰值大小及位置，应力升高区压力及影响范围，应力降低区压力及范围。

一、煤层下部底板中支承压力分布上述图11-1所示的支承压力，将向其下方的底板煤岩中传递，形成相应的应力升高区和应力降低区，并随着回采工作面的推进，发生变形与应力的扩散和衰减过程。

1、变形的扩散和衰减规律变形的扩散和衰减规律如图11-2及图11-3所示，它们分别表示沿走向剖面和沿倾斜剖面（工作面前方10m处），下方底板中的变形特征。

图中实线表示距煤层分别0、8、24、40m的四个水平上的变形增量曲线（取水平线为零线），虚线表示附加变形完全衰减的边界。

图11-2 沿走向剖面底板中变形扩散规律Ⅰ—边缘下方压缩变形区；Ⅱ—采空区下方变形恢复区图11-3 工作面前方10m 处沿倾斜方向底板中的变形规律2、应力的扩散与衰减规律。

底板中铅直应力的集中区和卸压区基本上与支承压力的集中区和卸压区相对应，随着Z 值增加应力集中和卸压程度降低，应力分布趋向缓和。

图11-4为沿走向剖面底板中3个应力分量的分布规律。

由图11-4（a ）可见，垂直应力z σ的高峰位置与法线成一定夹角向煤体前下方传播，高峰值大小按负指数规律衰减；z σ的原始应力等值线位置与法线成15°左右向后下方伸展。

图11-4 支承压力在底板中的传播（a ）岩层处于相对稳定状态的支承压力分布；（b ）z σ/h γ分布； （c ）x σ/h k γ分布（3/1=k ）；（d ）h xz γτ/分布煤柱宽度对应力传递规律有较大影响。

图11-5为一侧采空（相当于煤柱无限宽）、两侧采空煤柱较小和两侧采空煤柱较宽情况下，底板中z σ的应力等值线图，可见3种情况下底板中支承压力的峰值大小及分布范围是有很大区别的。

图11-5 煤柱宽度对底板支承压力分布的影响(a)一侧采空；(b)两侧采空，煤柱较小，煤柱上载荷呈均匀分布；(c) 两侧采空，煤柱较大，煤柱上载荷呈马鞍形分布；分布，ghi-底板内支承压力影响区边界（不超原岩应力值的5%）abc-煤柱上载荷分布，def-底板不同深度处z图11-6为层理裂隙对传播应力的影响。

图11-6 层理裂隙对传播应力的影响二、煤层上方顶板应力分布图11-7为三维相似材料模拟结果。

可见，在工作面正常推进过程中，煤层顶板中也将出现垂直应力的集中区和卸压区，其形态与底板中的垂直应力分布相似。

图11-7 煤层顶板应力分布在本实验条件下，顶板中应力高峰位置随与煤层距离H的增加稍向煤壁前方移动，该直线（图中a）与煤层法线夹角9°；应力集中区与卸压区的分界线（图中b）与煤层法线夹角12°；采空区上方各层位最低应力点的连线（图中c）与煤层法线夹角36°；高峰应力集中系数KM随距离增加而线性衰减（图中d），但衰减速度低于底板中应力衰减速度。

第二节巷道合理位置优化一、区段巷道的位置与矿压显现（一）同一煤层（分层）区段巷道回采工作面上、下两端的区段巷道，其稳定性除与开采深度和围岩性质有关外，主要取决于回采引起的支承压力的影响。

根据巷道布置及支承压力的影响，可将区段巷道分为三类：（1）巷道两侧均为煤体，称煤体-煤体巷道，或称实体煤巷道。

如薄、中厚煤层和厚煤层上分层的区段运输巷一般都属这类巷道（图11-8中的Ⅰ）。

图11-8 回采巷道布置方式示意图a —煤柱护巷；b —无煤柱护巷该类巷道服务期间的围岩变形量：1000u t v u u ++= （11-1） 其中，0u —煤体内掘巷引起的附加变形量；00t v —掘进影响趋向稳定后期间的围岩变形量；u 1—受本工作面采动影响引起的围岩变形量。

由于巷道在回采工作面处就已废弃，所以受回采影响引起的附加变形量u 1较小。

这种巷道的围岩变形规律如图11-9中Ⅰ。

u 0、0v 、u 1及u 的大小主要取决于开采深度和巷道围岩性质。

（2）上区段已采完且采动影响稳定后掘进的下区段回风巷，称煤体-煤柱（采动稳定）巷道，即通常所说的沿空掘巷。

该类巷道的围岩变形量：2110u t v u u ++= （11-2） 其中，u 0—掘进巷道引起的附加变形量。

由于不是在煤体内，而是在已采区一侧开掘巷道，开掘巷道引起的附加变形量比巷道Ⅰ要大。

11t v —掘巷影响趋向稳定后期间的围岩变形量。

同样，1v 比巷道Ⅰ的0v 也要大。

u 2—巷道受回采工作面采动影响期间的附加变形量。

由于支承压力叠加影响，u 2比巷道Ⅰ的u 1要大得多。

这类巷道的围岩变形规律也如图11-9所示，u 0、1v 、u 2及u 的大小与护巷方式和煤柱宽度密切相关，煤柱较窄时最大（Ⅱ1），无煤柱沿空掘巷次之（Ⅱ2），煤柱较宽时最小（Ⅱ1）。

图11-9 相邻区段采动稳定后开掘的巷道围岩变形Ⅰ—位于煤体内的运输巷；Ⅱ1—煤柱较宽的回风巷；Ⅱ1′—煤柱较窄的回风巷；Ⅱ2—沿空掘巷（3）下区段的回风巷与上区段的运输巷同时掘出，或者在上区段回采过程中或采空区顶板运动尚未稳定前掘进下区段回风巷，即巷道一侧为煤体，另一侧正在回采，称煤体-煤柱（正采动）巷道。

（图11-8中的Ⅲ）由于受毗邻区段工作面回采影响，该巷道要经历开掘时明显变形，然后趋向稳定，受相邻区段采动影响期间显著变形，然后趋向稳定，及受本区段工作面回采影响后显著变形5个阶段。

巷道的围岩变形量为：2111000u t v u t v u u ++++= （11-3） 这类巷道整个服务期间典型的围岩变形规律如图11-10所示。

可见，其变形是非常剧烈的，在以上三类巷道布置中属最难维护的一类，因而应尽量予以避免。

但对其中的沿空留巷系统，在采取合适的巷道支护及巷旁支护后，可以在压力较小、顶底板及煤层稳定的薄及中厚煤层中采用，也可获得较好的经济与技术效果。

沿空留巷系统的支护控制问题详见本章第三节内容。

图11-10 受毗邻区段工作面回采影响的巷道变形Ⅰ—位于煤体内的运输巷；Ⅲ1—煤柱较宽的回风巷；Ⅲ1′—煤柱较窄的回风巷（二）厚煤层中、下分层区段巷道在缓斜和倾斜厚煤层分层开采系统中，分层平巷用煤柱维护时的布置方式有重叠式、倾斜式和内错式（图11-11a、b、c）以及混合式，分层平巷用无煤柱护巷时有重叠式和倾斜式（图11-11d、e），煤层倾角较大时，可采用水平式布置。

图11-11 厚煤层分层巷道的布置方式a、d—重叠式；b、e—倾斜式；c—内错式；1—运输巷；2—回风巷；a、b、c—煤柱护巷；d、e—无煤柱护巷与上分层巷道一样，中下分层巷道可分为煤体-煤体巷道、煤体-煤柱巷道（已稳定）、煤体-煤柱巷道（正采动）三类，其变形量估计方法如上分层巷道相应类型的巷道相似。

其中，煤体-煤柱巷道（正采动）变形最为剧烈，煤体-煤柱巷道（已稳定）变形较为剧烈，煤体-煤体巷道变形较小。

但是，中下分层巷道的稳定性，还与上分层是否留有煤柱，煤柱一侧采动还是两侧采动，两侧采动时煤柱宽度，采动是否稳定，以及中下分层巷道与上分层煤体（煤柱）边缘之间的水平距离有关。

①位于上分层采空区下方、上分层两侧已采的煤柱附近的巷道由于上分层两侧已采的煤柱上承受很大的支承压力，对中、下分层巷道的维护危害很大，其影响程度主要取决于：上分层两侧已采煤柱的宽度，煤柱附近采动已经稳定还是正在采动，下分层巷道紧靠上分层煤柱，还是与煤柱之间保持一定距离。

图11-12为平顶山一矿戊组煤层内，煤门的围岩变形与上分层遗留煤柱的关系。

由图可见，位于煤柱下方的地段变形最为剧烈，顶底板移近速度高达6mm/d；靠近煤柱的地段变形也比较剧烈，顶底板移近速度达3mm/d左右；距煤柱边缘约10m的地段影响基本消失，顶底板移近速度下降到1mm/d左右。

图11-12 围岩变形与上分层遗留煤柱的关系（平顶山一矿戊组煤层1246区段煤门）为了改善这种巷道的维护，要求巷道与上分层两侧已采煤柱之间保持5～10m的水平距离，但这会明显增加中、下分层的煤柱损失。

因此，在上分层开采时，应尽量避免遗留煤柱，否则会对下分层的回采工作造成非常不利的影响。

②位于上分层采空区下方、上分层一侧已采的煤体附近的巷道这种巷道如紧靠上分层煤体，由于煤体上支承压力的作用，对中、下分层巷道也会产生一定的影响，如图11-13中的曲线1所示，但与两侧采空的煤柱（图11-13中的曲线2）相比要小得多，其影响范围也明显减小。

一般情况下，巷道与上分层煤柱边缘之间的水平距离超过2～3m时，影响即明显减弱。

图11-13 中、下分层巷道变形与上分层煤柱边缘水平距离间的关系1—在一侧已采煤柱附近；2—在两侧已采煤柱（宽度20m）附近③位于上分层已采区下方、上分层无遗留煤柱的巷道图11-14为厚煤层各分层无煤柱巷道的围岩变形，与以上两种情况相比，巷道稳定性得到极大改善。

所以，上分层实行无煤柱开采（表11-1中的Ⅲ，图11-1d、e中巷道2），消除上分层煤柱的危害，对改善中、下分层巷道的维护是非常有利的。

图11-14 厚煤层各分层无煤柱巷道的围岩变形（Ⅰ）—上分层运输巷；（Ⅱ）—上分层回风巷；Ⅰ—中、下分层运输巷；Ⅱ—中、下分层回风巷总之，避免上分层遗留煤柱的影响，及相邻区段的采动影响，是改善中、下分层巷道维护的主要措施。

二、底板巷道位置优化按照巷道轴向与工作面煤壁的空间关系，煤层底板巷道大体上可以分为轴向垂直于煤壁和轴向平行于煤壁两种。

这两种巷道因为空间位置的不同，承受上部采动所引起的支承压力情况也不同。

（一）巷道轴向垂直于工作面煤壁的底板巷道对于轴向垂直于工作面煤壁的底板巷道，按其承受上部采动影响的方式不同，可以分为如图4-6所示的六种。

对于Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ这三种巷道，因采煤工作面沿其轴向并从其正上方推过，所以整条巷道沿推进方向将先后承受其所在深度水平的最大采动应力（与x 值有关）。

图11-15 轴向垂直煤壁的底板巷道种类对于Ⅱ、Ⅵ两种巷道，当第一个工作面跨过时，巷道Ⅱ承受与巷道Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ相同的支承压力。

但是在第一个工作面后方，Ⅱ、Ⅵ因为靠近存在应力集中的煤体边缘，显然承受的压力要大于Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ三种情况。