第七章 巷道维护原理和支护技术
第一节 无煤柱护巷
一、护巷煤柱的稳定性
回风平巷上区段采空区采回采工作面运输平巷护巷煤柱空区下区段回风平巷 留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷图 7-1 留煤柱护巷示意图和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区（图7-1）。煤柱的宽度一般为10～30m。
图7-1 留煤柱护巷示意图
（一） 煤柱的载荷 1．煤柱载荷的估算
煤柱上的总载荷为：
?L2ctg??p???B?L??H???4?? (7-1)
式中 p—煤柱上的总载荷，kN； B—煤柱宽度，m；
δ—采空区上覆岩层垮落角；
γ—上覆岩层平均容重，kN／m3。 煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：
p?B?L??H?L2ctg?4?????BB (7-2)
?? 2．煤柱宽度的理论计算
图7-2 计算煤柱载荷示意图
B????B?L??H?1L2ctg???RC?0.778?0.222???1000B?4h? （7-3） ????B???B?L??H?1L2ctg???RC1?0.64?0.36???4h? （7-4） ?? 1000B??
（二） 煤柱的应力分布
1．一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布
假设采空区周围的煤柱（体）处于弹性变形状态，煤柱的垂直应力σy的分布如图7-3中1所示。σy随着与采空区边缘之间距离x的增大，按负指教曲线关系衰减。在高应力作用下，从煤体（煤柱）边缘到深部，都会出现塑性区（靠采空区侧应力低于原岩应力的部分
称为破裂区）、弹性区及原岩应力区（图7-3）。弹塑性变形状态下，煤柱（体）的垂直应力σy的分布如图7-3中2所示。
图7-3 煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布
1—弹性应力分布；2—弹塑性应力分布；Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区； Ⅲ—弹性区应力升高部分；Ⅳ—原始应力区
支承压力峰值与煤体（煤柱）边缘之间的距离x0的方程式为：
x0?
式中 K—应力增高系数；
p1—支架对煤帮的阻力； M—煤层开采厚度； C—煤体的粘聚力； φ—煤体的内摩擦角；
f—煤层与顶底板接触面的摩擦系数；
1?sin???1?sin?。 ξ—三轴应力系数，
MK?H?Cctg?ln2?f??p1?Cctg?? （7-5）
在生产实际中，x0的变化范围为3～20m，一般为5～12m。应力降低区宽度的变化范围为2～7m，一般为3～5m。
2．两侧采空煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布
两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决于回采引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B，主要有三种类型： ① B＞2L时（图7-4），煤柱中央的载荷为均匀分布，且为原岩应力γH。由于煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般仍将出现破裂区、塑性区、弹性区、以及原岩应力区。 ② 2L＞B＞L时，在煤柱中央由于支承压力的叠加，应力大于γH，沿煤柱宽度方向应力呈马鞍形分布，弹塑性变形区及应力分布见图7-5。
③ B＜L时，两侧边缘的支承压力峰值将重叠在一起，煤柱中部的载荷急剧增大，应力趋向于均匀分布（图7-6）。受两侧采动影响时，K值可达到4～5以上，在煤柱中央可能因长期处于塑性流动状态而遭到严重破坏。
图7-4 煤柱宽度很大时弹塑性变形区及垂直应力分布 图7-5 煤柱宽度较大时弹塑性变形区及垂直应力
分布Ⅰ
Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—中部为原岩应力的弹性区（弹性核） Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—应力升
高的弹性区（弹性核）
图7-6 宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布
Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区（弹性核）
二、 老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系
与采场相比沿空巷道顶板岩层结构具备以下特征： ① 在巷道整个服务时期，随着回采工作面不断向前推进，上覆岩层结构运动形式有所不同，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度差异悬殊。同时，掘进巷道再次扰动上覆岩层结构引起应力重新分布，形成更复杂的迭加支承压力。 ② 沿空巷道沿相邻区段采空区边缘布置，顶板岩层处于采空区上覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。 ③ 沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影响最显著，与巷道顶板上区段工作面采空区弧形三角块B块体C岩体AI块体CI下沉变形基本一致。沿空巷道条件下，老顶一般可视为亚关键层。
图7-8 采空区上覆岩层结构示意图
三、沿空掘巷的矿压显现规律
（一） 沿倾斜方向支承压力分布规律
煤层开采沿倾斜方向支承压力带形成后，随着远离回采工作面和时间的延续，会逐渐地趋向缓和与均化，最终成为稳定的残余支承应力。煤体和围岩的强度对支承压力分布曲线有很大影响，煤层顶底板为比较坚硬的砂岩时，随着工作面推进倾斜方向支承压力峰值逐渐降低，峰值位置移动不明显（图7-9a）。煤层顶底板为比较软的泥质页岩和较破碎的砂质页岩时，随着工作面推进倾斜方向支承压力分布曲线逐渐向煤体深处转移，峰值逐渐降低，影响范围扩大（图7-9b）。
a b 图7-9 回采工作面倾斜方向支承压力分布
a—煤层顶底板为砂岩； b—煤层顶底板为泥质页岩或较破碎的砂质页岩
表7-1 回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值B/m 围岩性质 200 比较稳定 中等稳定 不稳定 18 19 24 300 21 24 30 巷道埋藏深度/m 400 24 30 39 500 27 35 48 600 30 42 53 700 33 47 58
（二） 沿空掘巷的矿压显现 1．沿空掘巷的围岩应力和围岩变形
沿空掘巷之前，处于极限平衡状态下煤体的残余支承压力分布（图7-10中1）。沿空掘巷破坏了原有平衡，图7-10中2。 2．窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形
窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留5～8m宽的煤柱。巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向煤体内应力分布（图7-11中1）。窄煤柱巷道掘进位置一般刚好处于残余的支承压力峰值下。巷道掘进后窄煤柱遭到破坏而卸载，引起煤柱向巷道方向强烈移动。巷道另一侧的煤体，由原来承受高压的弹性区，衍变为破裂区、塑性区；随着支承压力向煤体深处转移，煤体也向巷道方向显著位移，最终应力分布状态如图7-11中2所示。
图7-10 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布 图7-11 窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布 1—掘巷前的应力分布； 2—掘巷后的应力分布 1—掘巷前的应力分布； 2—掘巷后的应力分布 Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力增高部分； Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力增高部分；
Ⅳ—原岩应力区 Ⅳ—原岩应力区
3． 沿空掘巷的三种方式
① 完全沿空掘巷就是上区段采动影响稳定后，紧贴上区段废弃的巷道，在煤层边缘的煤体内重新掘进一条巷道，如图7-12所示。
② 留小煤墙沿空掘巷方式的特点是上区段采动影响稳定后，巷道不紧贴上区段采空区边缘掘进，而是在巷道与采空区之间留设1～3m的隔离小煤墙(图7-13)。
图7-12 完全沿空掘巷 图7-13 留小煤墙沿空掘巷
LZ-滞后掘进距离 LZ-滞后掘进距离
四、沿空留巷的矿压显现
1．采动时期的受力状况
沿空留巷是在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其它有效方法，将上区段工作面运输平巷保留下来，供下区段工作面回采时作为回风平巷。由于老顶的剧烈活动，引起沿空巷道巷道煤帮和巷道支护体发生剧烈变形。受力状况与用煤柱维护的巷道有明显的差别。沿空留巷的围岩应力，除与煤帮的支承压力和直接顶的载荷有关外，主要取决于规则移动带岩层中块体B取得平衡之前，引起的附加载荷。
图7-14倾斜长壁沿空留巷
1—沿空保留巷道，2—巷旁支护带 3—复用后废弃的巷道
2．沿空留巷的顶板下沉规律
① 工作面前方20～40m处煤层上覆岩层开始运动，但下沉速度很小，为岩层起始沉降期。 ② 煤层开采后，垮落带岩层冒落，规则移动带岩层及上覆岩层急剧沉降，在工作面后方10～20m处，下沉速度达到最大。在工作面后方0～60m范围内，岩层的下沉量占最终下沉量的80％左右，称为岩层强烈沉降期。
③ 在工作面后方约60m以外，规则移动带及上覆岩层沉降速度日渐衰减，在工作面后方100m左右，岩层运动基本稳定。这个时期内岩层的下沉量占最终下沉量的15％左右，称为岩层沉降衰减期。
④ 如果直接顶板冒落能够填满采空区，使老顶处于平衡状态，采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚呈正比关系，一般为采高的10％～20％，基本上属于“给定变形”。沿空巷道的顶板往往明显地向采空区方向倾斜，倾角一般为30～60。 五、沿空留巷巷旁支护形式
1． 巷旁支护的作用
巷旁支护是指巷道断面范围以外，与采空区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构筑物。它的作用主要有：控制直接顶的离层和及时切断直接顶板，使垮落矸石在采空区内充填支撑老顶，减少上覆岩层的弯曲下沉。减少巷内支护所承受的载荷，保持巷道围岩稳定。同时为了生产安全，及时封闭采空区，防止漏风和煤炭自燃发火，避免采空区内有害气体逸出。
2． 巷旁支护的类型和适用条件
传统的巷旁支护主要有：木垛支护、密集支柱支护、矸石带支护、混凝土砌块支护等方式。整体浇注巷旁充填技术在煤层顶板、底板之间浇注充填材料，形成密实的整体。 3． 整体浇注巷旁充填技术 (1) 低水材料巷旁充填 (2) 高水材料巷旁充填
第二节 巷道围岩卸压
一、跨巷回采进行巷道卸压
1．跨巷回采卸压的机理
煤层开采以后，在煤层底板中形成一定范围的应力增高区和应力降低区。位于煤层底板