1、专题部分浅析综放沿空掘巷围岩稳定性及其控制摘要：针对综采工作面沿空掘巷采场顶板岩层的运动规律和采场矿山压力显现规律有其特殊性的特点，以综放工作面沿空掘巷为工程背景，针对综放沿空巷道煤柱留设、巷道掘进及支护过程中存在的问题，采用数值模拟、工程类比、理论计算和现场试验研究相结合的方法，对综放沿空巷道围岩稳定性及其控制技术进行了初步探讨和研究。关键词：综放开采；沿空掘巷；围岩控制；数值模拟。0 引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能
2、源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，我国煤炭探明总储量在9000 亿吨以上，居世界前列，已知含煤面积 55 万多平方千米，煤种齐全，煤层赋存条件多种多样，煤矿开采条件复杂。据统计表明，在我国一次能源生产和消费中，煤炭资源占 75%，在未来的 2050 年中，我国一次能源生产和消费以煤为主的格局不会改变。因此，进一步发展煤炭资源的开采技术，合理开采、有效利用煤炭资源，提高煤炭资源回采率，实现矿业的可持续发展，是国内外煤炭行业急需解决的问题。在借鉴国外煤层开采技术的基础上，我国经过近 20 年的不断探索、试验和研究，综放开采技术得到
3、长足的进步，大大提高了厚煤层的采出率，延长了矿井寿命，取得了良好的经济效益，综放开采已经成为我国煤矿实现高产高效的主要途径。所谓巷道围岩控制，是指控制巷道围岩应力和周边位移措施的总和，其目的是为了保证巷道的正常使用，为安全生产创造必要的条件。巷道围岩控制的主要任务有：保证巷道使用期间所需的巷道断面形状和尺寸；为保证人员和机械设备的安全和正常工作创造条件；选择技术经济最为合理的保证巷道围岩稳定性的支护方法和措施。从上世纪 50 年代开始，世界一些主要产煤国家为了提高工作面煤炭资源回收率，降低巷道掘进率，开始进行以沿空留巷和沿空掘巷为主的试验研究。沿空留巷是在上区段工作面回采的同时构筑巷旁支护结构
4、，受到采空区岩层剧烈活动的影响，无论是顶底板还是两帮都产生剧烈变形，巷道维护困难。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。沿空掘巷又分为留窄煤柱沿空掘巷和完全沿空掘巷两种形式。完全沿空掘巷是指沿采空区边缘开掘巷道的布置形式，此时巷道上帮岩体松散破碎，极易产生上部采空区窜矸、漏风、透水、瓦斯集中等安全隐患，因此其应用范围受到很大限制。留窄煤柱沿空掘巷在巷道与采空区之间保留一定宽度的煤柱护巷，防止老空区积水、有害气体及大块岩石窜入巷道内，随着综放开采及支护技术的不断进步，留窄煤柱沿空掘巷技术应用逐渐增多。巷道围岩变形控制的主要措施包括巷道支护、巷道布置
5、、巷道保护和巷道卸压等多种形式。巷道合理布置位置的确定与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关。如何兼顾巷道稳定、支护难度及成本和资源回收率，确定合理巷道掘进位置，控制围岩应力，并正确选择支护形式和支护参数，提高围岩强度是保证巷道围岩稳定性的关键。但是巷道位置选择往往受到地质和开采条件的限制，因此，深入研究沿空掘巷矿压显现规律，选择合理的煤柱宽度，确定沿空掘巷的合理位置，并采用科学有效的支护方法和措施，达到控制巷道围岩稳定性、保证安全生产的目的，一直是众多学者所关注的焦点。进行综放沿空掘巷围岩控制的研究具有重要的经济和技术意义。1 国内外研究现状国内外学者在沿空掘巷研究方面
6、做了大量工作，主要体现在以下几个方面：合理煤柱留设的研究。综放沿空掘巷矿压显现规律的研究。沿空掘巷围岩控制的研究。1.1沿空掘巷矿压显现规律研究现状 国内外学者对沿空掘巷矿压显现规律的研究，主要表现在：研究了采空区侧向支撑压力分布规律，指出留窄煤柱沿空掘巷巷道位置处于侧向支承压力峰值附近，因而，留窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度；综放工作面沿空掘巷，由于煤层采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉并在采空区边缘发生断裂，煤体上的顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，侧向支承压力向煤体内转移，在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被
7、破坏，形成一定厚度的破碎区，煤柱承载作用较小，同时在煤体边缘一定范围内形成应力降低区，为沿空掘巷创造了有利条件；留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以及隔离采空区是有利的。1.2沿空掘巷围岩控制与支护技术研究现状 (1) 国外围岩控制理论研究现状19 世纪后期到 20 世纪初，可以认为是矿压假说的萌芽阶段，这一时期开始利用比较简单的力学原理解释实际中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。此外，对巷道围岩变形机理和支架所受的岩石压力大小，也开始进行了初步的理论研究。20 世纪 30 年代开始，人们将弹性力学和塑性力学引
8、入地下工程的岩石力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中 R.Fenner 和 H.Kastner等人关于巷道围岩弹塑性应力分布和围岩与支架的相互作用的理论是最为典型的代表之一。20 世纪 60 年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏理论。特别是奥地利工程师在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，即新奥地利隧道施工方法，简称新奥法，是目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑巷道，使围岩本身也成为支护结构的一部分而与支护共同成为支承环。在此期间，日本人山地宏和樱井春辅又提出了围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩
9、的应变随支护结构的增加而减少，而许用应变则随着支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在许用应变范围内。20 世纪 70 年代，M.D.Salamou 等人又提出了能量支护理论。他们认为支护与围岩互相作用，共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因而，主张利用支护结构来使其自动调解围岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调解平衡作用。(2) 国内围岩控制理论研究现状国内学者在围岩控制方面的研究形成了以下几种具有代表性的围岩控制理论：于学馥等人提出的“轴变理论”和“开挖系统控制理论”，认为巷道坍落可以用弹塑性理论进
10、行分析，围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落是改变巷道轴比，导致应力重新分布，其特点是最大主应力下降，最小主应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能，可以自行稳定。冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上，提出了“联合支护技术”，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术，锚喷网架支护技术、锚带网架和锚带喷架等联合支护技术。董方庭教授等人提出了围
11、岩松动圈理论，其基本观点是凡是裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护，松动圈范围越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。何满潮教授提出了“关键部位耦合组合支护理论”，认为巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的。要采取适当的支护6转化技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。煤炭科学研究总院开采研究所康红普博士提出了关键承载层圈理论。该理论认为巷道稳定性取决于承受较大切向应力的岩层或承载层圈。承载层圈的稳定与否决定
12、了巷道的稳定性。关键承载层圈具有以下性质：承载层圈厚度越大，分布越均匀，承载能力越大；承载层圈内应力分布越均匀，承载能力越大；在未支护前，关键承载层圈离巷道周边越近，巷道越容易维护。巷道支护目的就在于维护关键承载层圈的稳定，只要关键承载层圈不发生破坏，则承载圈以内的岩层将保持稳定。(3) 巷道支护技术研究现状巷道支护是煤炭开采、各类矿山、水利水电隧道、公路交通隧道等地下工程的一项关键技术。合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的安全，又具有明显的技术经济效益。国内外巷道支护技术总的来说经历了从木支架向刚性金属支架、可缩性金属支架到锚杆支护的发展过程，其中 U 型钢可缩性支架和锚杆被公认为是井下支
13、护技术的两次重大突破，目前已经形成了包括各种料石碹、混凝土碹、喷射混凝土、工字钢刚性支架、工字钢可缩性支架、U 型钢可缩性支架、锚杆、锚喷、锚梁网、桁架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等众多支护形式。国家“八五”重大科技攻关中，提出两类支护体系，一是由中国矿业大学提出的利用可伸缩锚杆、U 型钢金属支架、配合高水速凝材料注浆来解决巷道的支护；一是由山东科技大学提出的在锚喷支护基础上进行锚注的支护技术，它是采用锚杆和注浆相结合的一种新型锚注联合支护体系，利用空心锚杆兼做注浆管，通过注浆将松散围岩胶结成整体，改善围岩的结构及其物理力学性质，既提高围岩自身的承载能力，又为锚杆提供了可靠的着力基础
14、，发挥锚杆的锚固作用，从而有效地控制巷道的变形。锚杆支护技术已成为巷道和其他地下工程支护的主要支护形式。侯朝炯把世界锚杆支护分为五个阶段3435：机械式锚杆研究和应用；19501960 年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护技术进行系统研究；19601970 年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用。19701980 年，发明应用了管缝式锚杆、膨管式锚杆，并研究新的设计方法和长锚索。19801990 年，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆得到应用，树脂锚固剂材料得到改进。目前，针对锚杆作用机理的研究36，具有代表性的支护理论主要有悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论、构造应力作用理论。悬吊
15、理论认为：当洞室围岩被破裂面、断层等切割，使局部块体不稳定时，可用锚杆将不稳定的岩块悬吊在稳定的岩体上或将应力降低区内不稳定的围岩悬吊在应力降低区以上的稳定岩体上，在侧墙使用锚杆可阻止岩块的滑动等。这种作用的条件是要在围岩的深处有稳定的岩体作为固定点，并且锚杆必须打入稳定岩体一定深度，其实质是关于把巷道周边可能松脱破坏的软弱岩石通过一端锚固在深部坚硬岩石里的锚杆悬吊住的理论，M.M.普罗托奇雅可洛夫和 B.M.莫斯特科夫等发展了可能发生拱式冒落的巷道应用悬吊理论设计锚杆支护的计算方法。组合梁理论认为：如果顶板岩层中存在若干分层，用一定数量和长度的锚杆群来锚固水平或者缓倾斜的岩层，一方面是依靠锚
16、杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的各个薄岩层紧密结合，锁紧成一个较厚的岩层，形成一个组合梁似的结构。这样便提高了层理间的抗剪能力和岩层的抗弯性能，使围岩得以稳定。组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大.构造应力作用理论即最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔(W.J.Gale)提出。该理论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水
