1、专题部分煤矿沿空掘巷围岩控制原理与技术摘要：针对沿空掘巷围岩的力学环境和维护特点，在分析了巷道上覆岩层大结构和巷道围岩锚固小结构稳定性的基础上，阐述了沿空掘巷围岩大、小结构稳定的原理及沿空掘巷窄煤柱宽度的留设原则、影响因素和设计方法，为锚杆支护在沿空掘巷中的应用提供了理论依据。沿空掘巷的围岩稳定原理和技术能有效控制巷道围岩变形，为矿井的安全生产创造条件，取得良好的技术经济效益。关键词：沿空掘巷 围岩大、小结构 锚杆支护1 绪论1.1 沿空掘巷研究的意义从 20 世纪 50 年代开始，国内外开展了主要包括沿空留巷和沿空掘巷两种方法的无煤柱护巷技术的试验研究，对无煤柱护巷的矿压显现规律及围岩控制进
2、行了系统的研究，取得了大量的成果，推动了无煤柱护巷技术的发展。沿空掘巷是在第一个工作面采空区岩层活动基本终止，回采引起的应力重新分布趋于稳定后掘进，巷道位于应力降低区，采用宽度较小的煤柱和合理的支护技术可以保证巷道在掘进及掘进后围岩变形较小，巷道只经历一次采动影响，因此沿空掘巷的应力环境和维护条件均优于沿空留巷。提高煤炭开采的采出率是关系到矿井的开采寿命和技术发展方向的重大问题，在回采巷道中采用沿空掘巷显然是十分有利的。所以，我国无煤柱护巷大部分采用沿空掘巷。目前国内在沿空掘巷方面已做了大量的工作，初步形成了沿空掘巷围岩稳定性理论和控制技术。这对促进我国无煤柱开采的进一步发展，充实和发展回采巷
3、道支护理论，大力推广锚杆支护技术应用，实现高度集约化生产的高产高效矿井建设无疑都具有重要的理论意义和实用价值。沿空掘巷的实质是沿上工作面采空区边缘留窄煤柱（16m）掘进巷道。在国内，窄煤柱沿空掘巷在简单地质条件下矿区已得到较广泛的应用，其围岩控制的中心思想基于“巷道布置在采空区侧的低应力区，同时窄煤柱有一定的自承能力”，例如窄煤柱宽度设计主要依据采空区侧向支承压力分布而定，而围岩控制多采用均称支护方式3-5。在技术的应用上缺乏适用性。为此，本文阐述了沿空巷道大、小结构稳定性原理与控制技术，对于指导沿空巷道围岩变形控制具有重要的理论与实践价值。1.2 沿空掘巷存在的问题高强度锚杆支护的沿空掘巷矿
4、压显现规律显著不同于采用架棚低强度锚杆支护的沿空掘巷矿压显现规律，沿空掘巷的矿压理论和支护技术存在以下几个方面问题。（1） 基本顶弧形三角块是沿空掘巷的上边界，它的旋转下沉及稳定状况直接决定沿空掘巷的稳定性。基本顶在工作面端头形成的弧形三角块结构，受工作面采动影响后，弧形三角块的受力情况和稳定状态复杂，目前对基本顶弧形三角块稳定状况研究较少。（2） 护巷窄煤柱是沿空掘巷围岩结构的重要组成部分，窄煤柱的稳定性直接关系到沿空掘巷的稳定，同时窄煤柱的宽度决定巷道围岩应力的大小与围岩完整性，如何确定合理的窄煤柱宽度，保持窄煤柱稳定，这有待于对采煤工作面矿山压力显现规律及沿空掘巷围岩变形、破坏规律的深入
5、研究。（3） 高强度锚杆支护系统和预应力锚索支护沿空掘巷，锚固体与围岩的相互作用关系，锚固体适应大变形及安全可靠、经济、合理确定沿空掘巷锚杆支护参数需进一步深入研究。2 沿空掘巷围岩稳定的基本原理2.1 沿空掘巷的围岩力学环境沿空掘巷的围岩力学环境与其它类型的回采巷道相比，一般具有以下三个显著的特点：巷道处于应力降低区；掘巷期内围岩应力集中程度小；回采期间应力集中程度很大。2.2 沿空掘巷上覆岩体大结构稳定性分析基于老顶岩层的上覆岩体大结构的稳定性是一个与上区段工作面回采、掘巷、及本区段工作面回采时载荷从稳定不稳定稳定不稳定的动态响应过程。研究和实践表明，沿空掘巷上覆岩体在巷道掘进及本工作面回
6、采前是可以保持稳定的，但在受本工作面采动影响时，其稳定性将受到严重影响。沿空掘巷在受到本区段工作面的回采影响时，巷道与上覆岩体大结构的平面关系如图1 所示。其过程可归结为：本区段工作面沿空掘巷上区段工作面采空区实体煤巷道块体A块体C块体B工作面切眼Wm岩体 AM岩块 B岩块 C本工作面沿空掘巷本区段工作面回采时，采空区老顶岩层产生新的破断，由于沿空掘巷位于回采工作面前方，这种破断不会在沿空掘巷上方产生，只是在回采工作面采空区内，长边破断线直接与原有关键块体沟通，也即新产生的岩块 A 与原有三角形板 B 相连通，如图 1（a）所示。（a）（b）W沿空掘巷上覆岩体大结构的下沉量；M关键块体B 的回
7、转力矩；m本工作面老顶岩层向采场回转的力矩图 1 回采时沿空掘巷与上覆岩体大结构的平面和剖面关系图老顶岩层破断后，块体 A 将分别在回转力矩 m 和 M 的作用下向本工作面和侧向三角板 B 方向回转下沉，进而破坏了工作面前方沿空掘巷大结构原有的平衡状态，大结构中的铰接岩体 A 和关键块 B 处于运动和不稳定状态，从而引发 B 块的一定下沉和在工作面前方形成较高的支承压力。上覆岩体大结构在较高支承压力的作用下，岩块 A 和岩块 B 将有一定的回转下沉， 如图 1（b）中的 W 所示。大结构的这种运动和不稳定状态将造成沿空掘巷围岩应力的再次重新分布和集中，其影响程度远大于掘巷时围岩应力的重新分布和
8、集中。需说明的是： 掘巷和回采时围岩应力的来源不同，巷道围岩应力在掘巷期间是由于掘进引起的围岩小范围内的应力集中；而在回采时，围岩应力的集中则来源于上覆岩体大结构这个外部力学环境的变化。沿空掘巷在回采时围岩应力的强烈集中，加上巷道围岩性质的软弱性质，使沿空掘巷围岩产生大变形；同时，由于大结构造成的巷道围岩应力重新分布的不均匀性，使得巷道顶板、底板、实体煤帮及煤柱在变形方式和变形量上存在较大的差异。上覆岩体大结构从受工作面回采影响起，直到临近工作面端头的过程中，上覆岩体大结构上的载荷虽然是在不断增加，但由于各岩块间的支承条件并没有改变，故仍会保持随机的平衡状态，不同的是块体间的受力情况发生了一定
9、的变化。因此，在工作面推过之前，大结构的稳定性不会受到根本的改变，因而只要巷道支护合理，巷道锚杆支护与围岩形成的小结构保持稳定，巷道就不会受到破坏，大结构的稳定平衡状态只有在工作面推过后才会被打破，进而发生失稳，造成巷道的彻底破坏。综上分析可以得出这样的结论：沿空掘巷在本工作面回采时，巷道上覆岩体大结构不会发生失稳垮落，但其一定程度的下沉变形是不可抗的，此时保持巷道围岩的稳定性除了适应上覆岩层的下沉外，还应加强锚杆支护和其他支护措施，使巷道围岩锚固结构保持稳定，进而保证沿空掘巷在生产期间的正常使用。2.3 沿空掘巷围岩锚固小结构稳定性分析锚杆支护巷道的稳定是通过在巷道围岩中系统布置锚杆，使锚杆
10、群、锚杆的辅助构件及其锚固范围内的围岩形成一个整体承载结构，通过该结构良好的承载性能和对其外部围岩变形的适应性，充分发挥较深部围岩的自承能力，从而保证巷道的稳定性。相对于沿空掘巷上覆岩体的大结构而言，我们把这个由巷道周围锚杆组合支护与围岩形成的统一承载结构称为沿空掘巷围岩小结构。围岩小结构作为顶板、底板、实体煤帮和煤柱帮锚固区组成的一个有机整体，其变形和破坏是各组成部分相互作用、相互影响的综合结果，由于巷道所处的应力环境呈现明显的不均衡性，故其变形与破坏也将呈现非均匀的特点。通过现场实践和理论分析研究，得出围岩小结构变形破坏的类型主要有以下几种：（1） 窄煤柱诱导型破坏窄煤柱作为围岩小结构一个
11、很重要的组成部分，由于煤柱本身受上区段工作面回采影响很大，煤体的破坏程度较高，当它发生变形破坏时，将使巷道顶板的承载基础作用降低， 进而导致顶板向煤柱侧采空区下沉破坏，产生向巷道内移近和向下沉降，从而造成巷道围岩小结构的变形破坏，称之为窄煤柱诱导型破坏。（2） 顶板诱导型破坏由于受巷道上覆岩体大结构的影响，顶板煤体在掘巷前变形同样很严重。同时，受上覆岩体断裂回转的影响，在巷道顶板煤体中将形成一组裂隙。在掘巷前，顶板煤体呈压缩状态，当巷道掘进后，煤体所贮存的压缩能量将释放，此时如果不能及时提供有效的支护阻力，将造成顶板煤体在其自重及上覆岩体压缩产生的变形压力作用下发生明显的下沉， 甚至冒落，随着
12、顶板下沉量的加大，顶板上方的载荷将向窄煤柱和实体煤帮移动，结果可能会使窄煤柱载荷加大而破碎失稳，同时实体煤帮及底板的稳定状态也会变化，使巷道围岩小结构破坏，称之为顶板诱导型破坏。（3） 实体煤帮诱导型变形破坏实体煤帮的围岩性质相对于顶板及煤柱要好一些，但相对于巷道的其它部位来说，实体煤帮的应力集中程度是最大的，尤其是在巷道受采动影响时，垂直应力的集中系数可达4 左右。实践中，实体煤帮常常因过大的垂直应力而向巷道内强烈位移和显著下沉，其过大的移近量将使顶板向实体煤侧发生倾斜而垮落，同时也会诱导靠近实体煤帮的底板严重鼓起，这种小结构的变形破坏机理称为实体煤帮诱导型破坏。（4） 底板诱导型破坏沿空掘
13、巷的底板一般为强度较低的软弱岩体，巷道掘巷期间，巷道的围岩应力相对处于一较低的环境中，此时，底板一定深度虽有程度较大的水平应力集中作用，但底板一般均能保持稳定。在受采动影响时，上覆岩体将引起巷道围岩应力的上升，增大的垂直应力作用在实体煤帮，并有效地传递到底板岩层中，使原来的水平应力发挥作用，从而导致巷道发生底鼓。由于底板中垂直应力集中的不均衡性，软弱的底板岩层鼓起也是不对称的。在兴隆庄矿底板条件下，靠近实体煤帮的鼓起量明显较大。从巷道支护的整体稳定性来考虑，沿空掘巷的围岩小结构无论是在围岩本身特性，还是在加固后的力学特性上，均具有明显的非均衡现象。因此，保持小结构本身的稳定是沿空掘巷稳定的根本
14、。3 窄煤柱宽度的合理确定从煤柱的应力场、位移场分布特征来看，窄煤柱宽度影响巷道围岩应力状态、围岩位移分布，煤柱对巷道围岩变形的作用随煤柱宽度的变化而变化。回采期间窄煤柱宽度对沿空掘巷围岩变形影响为：（1）顶板下沉，（2）底鼓，（3）实体煤帮位移3.1 确定窄煤柱合理宽度的原则窄煤柱是沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定沿空掘巷的稳定性， 采用锚杆支护时窄煤柱宽度应满足以下几个原则：巷道处于应力降低区。采空区侧向支撑应力为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，窄煤柱及巷道的稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区。窄煤柱内部有稳定的区域。上区段工作面侧向支撑
15、压力作用和巷道掘进影响，窄煤柱两侧出现破碎区不可避免，如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，而且锚杆在破碎煤体中的锚固力小，锚杆支护作用降低，巷道维护困难，因此，应将锚杆锚固在上区段工作面回采产生的破碎区外的稳定煤体中。有利于巷道围岩稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎、顶板及实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。保证锚杆具有良好锚固性能。锚杆的锚固性能越好，巷道围岩整体承载能力越强。采出率高。煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小窄煤柱宽度宽度。3.2 窄煤柱宽度计算合理窄煤柱宽度的确定可以从理论计算、数值分析、工程实践三个方面综合考虑。下面以中等稳定围岩条件举例说明。（1） 理论计算法如果煤柱过窄，则开巷后煤柱易于迅速变形破裂而使锚杆安设在破碎围岩中，使锚固力减弱、锚杆的支护作用降低。通过极限平衡理论研究认为，合理的最小煤柱宽度 B 为：B = x1 + x2 + x3（1）式中：x1因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，其宽度按式（2）计算3。 kg H +mAC0tan f x1 =ln 0 （2）2 tan f0C0
