李继苏

（山西马堡煤业有限公司， 山西 武乡 046300）

随着开采深度不断增大，煤层赋存条件日益复杂，矿山压力显现成为制约煤矿安全生产的重要因素，矿压显现明显的巷道，巷道变形顶板下沉，底板及帮部鼓起，治理不到位，往往会导致掘进工作面施工困难，甚至发生顶板、冲击地压事故，矿山压力发生机理较为复杂，但经过多年研究摸索，我国在矿压发生原理及控制技术方面，已取得了较多成就。矿压显现究其根本是井巷周围煤岩体所受压力的显现，其载荷来源主要有原岩应力，构造应力及上覆岩层自重产生的重力载荷，通过有效监测手段，摸索矿压的主要应力来源，通过有效治理措施，消除应力来源，是治理矿压显现最为直接有效的手段。

1 沿空掘进巷道载荷分析

1.1 煤层赋存条件

山西马堡煤矿主采15 号煤，煤层结构简单，整体为单斜构造，断层发育、煤层厚度4.25～5.20 m，平均4.80 m，局部含夹矸，属全区稳定可采煤层。井田范围内，煤层上覆岩层赋存稳定，其基本顶为细粒砂岩，平均厚度16.45 m，钙泥质胶结，较坚硬，是矿压显现主要影响关键层（见表1）。

表1 煤层顶底板岩性特征表

1.2 矿井地应力分析

巷道围岩变形是一个复杂过程，其根本原因是巷道围岩在三向应力作用下，发生蠕变，由西原正夫模型[1]可知，只有当围岩的等效应力大于围岩的单轴屈服极限时，不稳定蠕变启动，并且随着等效应力的增大，不稳定蠕变速率随之增大，矿压显现越明显，巷道围岩破坏加快。将围岩真实的三向应力等效成单向应力[2]，其值与地应力成正相关，可见，高地应力是巷道围岩产生不稳定蠕变的必要条件，且地应力的升高能够加快围岩蠕变破坏的速率。根据马堡矿地应力测试结果显示：矿井最大水平应力最大为13.99 MPa，最小水平主应力最大为7.36 MPa，垂直主应力最大为8.88 MPa，最小为7.47 MPa。最大水平应力σH为垂直应力σv的1.58～1.87 倍，水平应力是影响巷道稳定的主要因素，由最大主应力原理可知，此类地应力场对巷道顶底板稳定性影响较大。水平应力与巷道夹角越大，对巷道影响越大，马堡矿最大水平主应力方向与矿井开拓巷道夹角在24.0°～58.6°之间，由此推断最大水平主应力方向与回采巷道的夹角在31.4°～66.0°之间，夹角大，对回采巷道的掘进施工影响较大。

1.3 基于赋存条件构造应力分析

矿井井田范围内断层发育，断层处岩层的不连续性导致断层本身的不稳定性，随着采掘活动开展，其超前支承压力的影响范围不断向前发展，当到达断层影响区域后，断层两侧本身的残余构造应力[3]与采掘工作面超前支承压力叠加，使断层附近的支承压力增高，形成新的高应力区（见下页图1）。断层面（带）与采掘工作面之间的中间区域为应力叠加高峰区，如果断层本身属于容易积聚能量的类型，则叠加后的应力高峰区位置同样容易积聚更大的能量。据现有成果，当采掘工作面邻近上述断层构造时，相当于工作面单边卸压，采掘工作面相当于卸压区域，为高应力集中区。

图1 超前支承压力与断层构造应力叠加示意图

1.4 基于赋存条件上覆岩层重力载荷分析

地下开采活动引起的上覆岩层的移动破坏是一个自下而上渐近发展而又十分复杂过程，受多重因素的影响。由于矿山岩体原始赋存的状况的复杂性和采动岩体的破坏过程特殊性，使得地下开采引起的上覆岩层移动破坏成为非常复杂的非线性动态运动过程。对于上覆岩层运动研究，国外起步较早，德国学者舒里在1867 年提出就提出了悬梁假说[4]，开创了采场上覆岩层结构研究的先河。1916 年，德国学者施托克（K.Stoke）提出了更加完善的悬臂梁假说，后又得到英国的弗里得（I.Friend）、前苏联的格尔曼等人的完善，经过多年实际情况延展，悬臂梁假说是对矿井超前、侧向支撑压力最为合理的解释。

国内在研究采场上覆岩层运动规律起步较晚，但通过不断摸索，不断完善，取得的大量成就。钱鸣高院士在总结以往各种假说的基础上，结合对岩层内部移动的实测分析，提出了采场裂隙带岩体的“砌体梁”结构模型[5]。该理论对整个上覆直至地表岩层的运动规律进行了分析，提出了“横三区”“竖三带”的认识，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，在煤系地层中，由于成岩时间和矿物成分等不同，使各岩层在厚度和力学性质等方面总存在着不同程度的差别。一些较为坚硬的厚岩层在采动岩体的变形和破坏中起主要控制作用，它们以某种力学结构（从平面中看破断前为连续梁，破断后为砌体梁等）支承上部岩层，而它们的破断又直接影响采场矿压、岩层移动和地表沉陷。研究发现由于各坚硬岩层的层位和特性不同，因而并不是每一层坚硬岩层在采动岩体运动中起主要控制作用，有时仅仅有一层或几层。

沿空掘进工作面，受邻近采空区隔离煤柱，支撑上覆岩层，上覆岩层垮落不及时，形成悬臂梁，悬臂梁导致的侧向支撑压力，是巷道沿空掘进的主要载荷来源（见图2）。根据监测数据，确定巷道悬臂梁层位，采取有效措施，是解决巷道侧向支撑压力最为有效的手段。马家堡煤矿15 号煤基本顶为平均厚度为16.45 m厚细粒砂岩，质硬，单轴抗拉强度大，随着工作面回采，工作面中部顶板垮落，端头顶板受煤柱支撑，形成煤柱支撑悬臂梁，悬臂梁形成的侧向支撑压力，是沿空掘进巷道的主要载荷，对沿空巷道邻近采空区悬臂梁的有效处理，是解决侧向支撑压力的主要措施。

图2 图岩层移动关键层赋存示意图

2 基于沿空巷道应力分析的治理措施

经过综合分析，影响马堡煤业沿空巷道掘进矿压显现的主要因素为水平地应力，断层导致的构造应力及沿空侧的侧向支承压力。当掘进施工邻近断层等地质构造时，水平地应力、垂直应力，构造应力叠加，导致巷道矿压显现明显，底鼓、片帮、掘进及支护施工困难。对水平地应力、断层构造应力及侧向支承压力的有效处理，是解决沿空掘进巷道矿压显现的主要措施。

2.1 水平地应力的针对性治理措施

对地应力的最为有效的治理措施是“避”，即选择合理的巷道布置方式，减小水平应力与巷道夹角，是解决地应力最为最根本的措施[5]，但考虑巷道实际用途及服务时长，矿井在进行开拓部署时，会尽量减小开拓巷道与地应力的夹角，由于回采巷道与开拓巷道垂直布置，开拓巷道与地应力夹角越小，则回采巷道与地应力夹角就会较大。在无法“避”的情况下，只能治，主要治理措施是“扛”和“放”，即通过加强支护，加固底板，使得巷道周围煤岩体围岩的单轴屈服强度大于最大水平主应力，此种方式治标不治本，且治理成本高，工程量大。“放”是通过采取有效措施，使得地应力有效释放。沿空掘进巷道邻近采空区，煤层上覆岩层完整性被破坏，地应力得到有效释放，底板治理是地应力治理的关键，主要措施是通过底板爆破，底板切槽，破坏底板完整性，使得地应力得到有效释放，巷道底鼓现象得到明显改善。

2.2 断层构造应力的针对性治理措施

对于断层构造应力的治理原则也是以“避”为主，在进行巷道部署设计时，优先选择避开断层，在无法避开的情况下，选择合理的巷道布置，增大巷道与断层夹角，减小断层影响范围。通过断层面前，通过时施工超前钻孔的方式，使得残余构造应力得到有效释放，防治构造应力集聚。掘进过程中，原积聚于断层面附近的构造应力得到有效释放，受断层影响，巷道顶板完整性差，选择合理的加强支护措施，是施工过程中需要进一步解决的主要问题。

2.3 侧向支承压力的针对性治理措施

在工作面回采期间，根据矿井钻孔资料，对关键层位进行深孔爆破，阻断悬臂梁形成，邻近工作面沿空掘进期间，上覆岩层悬臂梁得到有效解决，保证巷道低应力掘进。马堡煤矿煤层上覆16.45 m 细粒砂岩是影响矿压显现主要关键层，对该层的深孔爆破，破坏该层完整性，阻断悬臂梁的行成，沿空掘进期间由悬臂梁导致的上覆岩层自重应力问题得到有效解决。

深孔爆破主要施工流程为：准备钻机→施工钻孔→装药定炮→爆破孔封孔→爆破；基于马堡煤矿煤层赋存条件，主要施工参数为：钻孔开孔位置未回采工作面非生产帮肩窝处，爆破钻孔间距为10 m，施工倾角60°，方位角210°，孔径Φ75 mm，孔深40 m，具体参数见表2。

表2 马堡煤矿顶板深孔爆破参数表

3 结语

综合分析矿井沿空掘进期间矿压显现主要应力来源，通过底板卸压、顶板卸压，构造应力超前卸压等有效治理措施，解决沿空巷道围岩应力叠加，能量集聚问题，使得巷道始终保持地应力掘进，施工过程中巷道矿压显现不明显，相较于未采取措施的沿空施工巷道，巷道成型得到明显改善，掘进速度显著提升。