專題-沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究摘要：沿空留巷技術(shù)是我國采煤技術(shù)的一次重大技術(shù)變革,可提高煤炭資源的回采率,降低巷道的掘進(jìn)率,使采掘接替合理。開采高瓦斯煤層工作面采用沿空留巷“Y”型通風(fēng)方式,解決了工作面上隅角瓦斯積聚與超限問題。巷內(nèi)支護(hù)采用主動(dòng)支護(hù)，巷旁墻體的力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形相適應(yīng)是沿空留巷技術(shù)的關(guān)鍵，結(jié)合當(dāng)前理論研究發(fā)現(xiàn)，巷內(nèi)采用錨桿支護(hù)，巷旁運(yùn)用高水材料充填可取得良好效果。關(guān)鍵詞：沿空留巷；錨桿支護(hù)；巷旁充填1 緒論隨著人類對煤炭需求量的日益增加，開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，淺部易采的煤炭資源日趨枯竭，地下礦山向深部開采是必然趨勢。目前我國己有一些千米深井，孫村煤礦目前平均采深1055 m，最深的沈陽礦務(wù)局彩屯礦達(dá)1449 m，開灤礦務(wù)局趙各莊礦達(dá)1160 m，一些老礦區(qū)，特別是東部礦區(qū)的部分礦井己進(jìn)入深部開采，安徽淮南的謝橋、張集、丁集、顧橋、劉莊及望峰崗等礦井也己進(jìn)入深部開采。我國煤礦平均采深以9-12 m/a左右的速度遞增，預(yù)測今后10-20 a內(nèi)我國很多煤礦將進(jìn)入到1000-1500 m深度。在我國煤炭資源埋深在1000 m以下的為2.95萬億t，占煤炭資源總量的53 %。這使得深部開采成了未來采礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。1.1 問題的提出及研究意義深部開采必然帶來新的問題。深部的巖體處于的“三高”狀態(tài)，即高地應(yīng)力、高溫、高孔隙水壓力。這必然會(huì)隨采動(dòng)或掘進(jìn)的進(jìn)行導(dǎo)致一系列的工程響應(yīng)，如:煤與瓦斯突出、頂板垮落、底板突水等，致使巷道變形嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和生命安全。隨著礦山開采逐步向深部拓展，煤與瓦斯突出發(fā)生的頻度和強(qiáng)度都逐漸增大，國有煤礦自然災(zāi)害較重。瓦斯、水、火是我國煤礦的主要災(zāi)害。原國有重點(diǎn)煤礦中高瓦斯礦井占26.8%，煤與瓦斯突出礦井占17.6%，除山東、內(nèi)蒙古的大部分礦區(qū)為低瓦斯礦井外，其他地區(qū)的瓦斯普遍較高，并有相當(dāng)一部分煤礦瓦斯涌出量大，突出次數(shù)多，強(qiáng)度大。近十幾年來，我國煤礦的開采技術(shù)條件發(fā)生了很大變化。一是煤礦的客觀地質(zhì)條件和災(zāi)害條件發(fā)生了很大變化，煤炭大量開采使井下開采深度迅速增加，己經(jīng)出現(xiàn)了千米深井，開采深度普遍在500 m以上;二是隨著開采深度的增加煤層沼氣含量、煤和瓦斯突出增加;三是隨著開采深度增加造成應(yīng)力增大，甚至出現(xiàn)沖擊地壓的危險(xiǎn)性急劇增加。這三個(gè)客觀問題，已成為準(zhǔn)備巷道提高掘進(jìn)速度的主要抑制因素，同時(shí)也使回采工作面巷道變形嚴(yán)重。維護(hù)巷道造成人財(cái)物的大量浪費(fèi)，生產(chǎn)受到不良影響。從主觀上講，市場經(jīng)濟(jì)對企業(yè)提出了如何提高經(jīng)濟(jì)效益少留或不留煤柱，并實(shí)現(xiàn)安全開采的要求。傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式無法解決深部采煤工作面上隅角瓦斯超限問題，隨著開采深度的增加，高瓦斯煤層群采煤工作面的瓦斯涌出量將顯著增大。Y型通風(fēng)方式是兩進(jìn)一回的通風(fēng)系統(tǒng)，即采煤工作面的上、下巷都進(jìn)風(fēng)，而其中的副進(jìn)風(fēng)巷在采空區(qū)一段則變成回風(fēng)巷，并由巷旁充填支護(hù)，見圖1。圖1-1 Y型通風(fēng)工作面通風(fēng)示意圖它與U型通風(fēng)系統(tǒng)相比，不僅從根本上解決了上隅角瓦斯積聚難題。而且運(yùn)煤、運(yùn)料設(shè)備、供電、供水等管線都在新風(fēng)中，而回風(fēng)巷內(nèi)既無電纜、軌道，也無管路，成為專用回風(fēng)巷，這樣就大大提高了安全性。同時(shí)，采煤工作面機(jī)電設(shè)備散熱和采空區(qū)氧化熱直接進(jìn)入專用回風(fēng)巷，工作面兩進(jìn)風(fēng)巷均處于進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，對高溫采煤工作面具有明顯的降溫作用，同時(shí)隨著科技的發(fā)展對瓦斯（煤層氣）的集中抽采利用又提出了一種新的潔凈能源利用方式。Y型通風(fēng)在深部開采勢在必行。深井沿空留巷必然會(huì)給巷道支護(hù)帶來一系列的問題，如地壓增大，巷道壓力大，其圍巖變形量顯著增大，支護(hù)物損壞嚴(yán)重，巷道翻修量劇增，巷道維護(hù)變得異常困難，深井回采巷道因圍巖屬性較差且受采動(dòng)強(qiáng)烈影響，其圍巖控制要比一般地下巷道困難，而其深井沿空留巷難度更大，因?yàn)檠乜樟粝锱c回采巷道不同，其巷道的一側(cè)幫為煤體，另一側(cè)幫為巷旁支護(hù)體，屬大變形圍巖，同時(shí)，還必須承受掘進(jìn)和兩次強(qiáng)烈的采動(dòng)產(chǎn)生的疊加應(yīng)力的影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈。巷道變形收縮量大，而通過從根本上改變圍巖應(yīng)力來控制減小這種變化又是不可能的。構(gòu)建合理的沿空留巷受力模型，確定合理的巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)形式，并對充填體強(qiáng)度進(jìn)行了分析，使支護(hù)體能適應(yīng)深井沿空留巷圍巖劇烈活動(dòng)規(guī)律的要求，以推動(dòng)沿空留巷技術(shù)更廣泛的應(yīng)用，本論文對我國深部礦井實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)方式、治理工作面瓦斯超限難題、提高煤炭采出率和減少巷道掘進(jìn)量具有一定的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，深井沿空留巷技術(shù)的發(fā)展，必將帶來巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣應(yīng)用前景。1.2 國外沿空留巷技術(shù)研究的現(xiàn)狀世界一些主要產(chǎn)煤國家為了達(dá)到少掘巷道、增加煤炭資源回收率、增加生產(chǎn)的連續(xù)性、提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益的目的，而采用往復(fù)式“Z”形開采，前進(jìn)式和后退式的工作面沿空留巷方法以實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。對沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護(hù)形式及新型支護(hù)材料等都進(jìn)行了大量研究。在這方面做得較多的是德國、英國、波蘭等國家。俄羅斯在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)方面做了大量的研究工作，在理論上，通過對頂板分類的研究，提出了一些分類方案，并指出了各類頂板下應(yīng)用沿空留巷的可行性，對留巷維護(hù)中有關(guān)的參數(shù)提出了理論計(jì)算方法或經(jīng)驗(yàn)公式，并對留巷過程中采深和巖性不同時(shí)圍巖移近量的方法進(jìn)行了研究;在實(shí)驗(yàn)室中，利用相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，并進(jìn)行了有關(guān)材料特性、支架強(qiáng)度和可縮性的研究;在現(xiàn)場，對許多專門為沿空留巷設(shè)計(jì)的支架進(jìn)行了試驗(yàn)，并結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)行了各種實(shí)測工作，據(jù)報(bào)導(dǎo)，至1993年，俄羅斯無煤柱開采產(chǎn)量占80%，對不同礦區(qū)變動(dòng)在60% - 90%之間，在各種無煤柱護(hù)巷方式中，應(yīng)用最廣的是沿空留巷，占65%。德國無煤柱開采多為沿空留巷，過去其傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)多采用木垛、研石帶等，60年代末德國根據(jù)本國資源特點(diǎn)，研究成功了采用石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、研石加膠結(jié)料等低水材料作為巷旁充填，有效地減少了重型支架和巷道的變形，從而實(shí)現(xiàn)14-18 m，斷面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益。目前，該國有1/2-2/3的沿空留巷采用這項(xiàng)技術(shù)。而且，德國在埋深800-1000m的煤層開采中成功地運(yùn)用了沿空留巷技術(shù)，并通過實(shí)測得出了預(yù)計(jì)留巷移近量的經(jīng)驗(yàn)公式。英國煤層普遍較薄，多用沿空留巷，巷旁支護(hù)多采用研石帶，并研制出了研石帶機(jī)械化砌筑裝置。同時(shí)，在提高研石帶強(qiáng)度方面進(jìn)行了不少探索，研制成功不同膠結(jié)物的膠結(jié)研石帶。英國1979年在井下試驗(yàn)成功了高水材料巷旁充填，隨后有了迅速的發(fā)展，高水材料充填己占全英巷旁充填的90%左右。英國南威爾斯大學(xué)斯麥脫（Smart）于1982年提出的巖梁傾斜理論。該理論認(rèn)為巷旁支護(hù)對巷道基本頂起控制作用，主張用控制巷道煤柱側(cè)和巷旁支護(hù)側(cè)的頂板下沉量，即控制頂板傾斜度的方法作為設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)工作阻力和可縮量的依據(jù)。1.3 國內(nèi)沿空留巷技術(shù)研究的現(xiàn)狀根據(jù)沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護(hù)方式，我國沿空留巷技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可分為以下四個(gè)階段：第一階段，20世紀(jì)50年代起，在煤厚1.5 m以下的煤層中嘗試著用研石墻作巷旁支護(hù)，巷內(nèi)主要采用木棚支護(hù)，其存在著研石的沉縮量大、巷內(nèi)支架變形嚴(yán)重、維護(hù)工作量大、工人壘砌研石的工效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等問題，其應(yīng)用范圍受到極大限制。第二階段，20世紀(jì)60年代至70年代，在1.5-2.5 m厚的煤層中應(yīng)用密集支柱、木垛、研石帶、砌塊等作為巷旁支護(hù)，巷內(nèi)多采用木棚、工字鋼梯形支架支護(hù)，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的應(yīng)用。第三階段，20世紀(jì)80年代至90年代，在大力推行綜合機(jī)械化采煤后，隨著采高不斷增大，我國煤礦工作者在引進(jìn)、吸收國外的沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巷旁充填護(hù)巷技術(shù)，巷內(nèi)多采用U型鋼可縮性金屬支架。90年代初期，沿空留巷理論與技術(shù)有了較大的發(fā)展，但由于巷內(nèi)支護(hù)大多為被動(dòng)支護(hù)，加之巷旁充填技術(shù)還不完善，其支護(hù)技術(shù)難以適應(yīng)大斷面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技術(shù)應(yīng)用范圍又呈減少趨勢。第四階段，21世紀(jì)以來，隨著錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用和巷旁充填技術(shù)的不斷完善，我國有些學(xué)者在厚煤層綜放工作面進(jìn)行了沿空留巷技術(shù)試驗(yàn)研究:如潞安礦務(wù)局常村煤礦S2-6綜放工作面，巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷旁支護(hù)運(yùn)用高水材料充填加上空間錨栓加固網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行綜放大斷面沿空留巷試驗(yàn)，并取得初步成功。孫恒虎教授等根據(jù)煤層頂板特征和彈塑性力學(xué)的有關(guān)理論，將長壁工作面沿空留巷的煤層頂板簡化成了層間結(jié)合力忽略不計(jì)的矩形“疊加層板”，認(rèn)為沿空留巷支護(hù)載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)。郭育光教授等研究認(rèn)為，巷旁支護(hù)應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的特點(diǎn)，緊隨工作面構(gòu)筑，及時(shí)支護(hù)直接頂，避免與上部基本頂離層，并切斷直接頂，減小巷旁支護(hù)載荷，控制巷道變形。隨著工作面推進(jìn)，巷旁支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到切頂阻力，當(dāng)基本頂彎矩在巷旁支護(hù)邊緣附近達(dá)到極限時(shí)，切斷基本頂?？迓涞难惺捎谄扑楹篌w積增大，當(dāng)充滿采空區(qū)時(shí)，更上位巖層在煤體和研石的支撐下，取得運(yùn)動(dòng)平衡，巷道圍巖變形趨向緩和。采高決定巷旁支護(hù)的切頂高度。巷旁支護(hù)阻力大小應(yīng)根據(jù)塊體不同時(shí)期的平衡條件推導(dǎo)出不同時(shí)期的巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算式。謝文兵教授等在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，采用適于分析巖層斷裂和垮落的數(shù)值分析軟件UDEC建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，詳細(xì)分析了沿空留巷圍巖移動(dòng)規(guī)律，系統(tǒng)分析了基本頂斷裂位置、端頭不放頂煤長度、原有巷道支護(hù)技術(shù)、充填體寬度、充填方式和充填體強(qiáng)度對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，得出了許多有益的結(jié)論。研究結(jié)果表明，在保證頂煤及頂板穩(wěn)定前提下，合理利用圍巖移動(dòng)規(guī)律，確定合理充填方式和充填體強(qiáng)度，既能保證充填體穩(wěn)定，又能達(dá)到很好的留巷效果。華心祝教授認(rèn)為應(yīng)該從如何提高頂板巖層的自我承載能力入手，提出了一種主動(dòng)的巷旁加強(qiáng)支護(hù)方式，巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)，建立了考慮巷幫煤體承載作用和巷旁錨索加強(qiáng)作用的沿空留巷力學(xué)模型，并分析了巷內(nèi)錨桿支護(hù)和巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)的作用機(jī)理。利用理論分析所得結(jié)論，進(jìn)行了工程實(shí)踐，其研究成果為較大采高工作面沿空留巷技術(shù)提供了理論依據(jù)和借鑒經(jīng)驗(yàn)。目前國內(nèi)外在應(yīng)用沿空留巷時(shí)，絕大多數(shù)都要設(shè)置巷旁支護(hù)。應(yīng)用較廣的巷旁支護(hù)主要有:木垛巷旁支護(hù)、密集支柱巷旁支護(hù)、矸石帶巷旁支護(hù)、人造砌塊巷旁支護(hù)以及巷旁泵充填支護(hù)技術(shù)等。我國主要礦區(qū)巷內(nèi)支護(hù)見表1-1，表2統(tǒng)計(jì)了我國不同圍巖條件下沿空留巷巷旁支護(hù)所采用的支護(hù)形式。表1-1 我國主要礦區(qū)巷內(nèi)支護(hù)形式一覽表礦井及工作面名稱工作面地質(zhì)條件巷道斷面尺寸（寬高）/m2巷內(nèi)支護(hù)形式平頂山一礦21052面傾角7,煤質(zhì)松軟，頂板中等穩(wěn)定，底板為煤層，較軟， 巷道斷面7.9U型鋼、工字鋼和可縮性支架陽泉二礦61000面頂板中等穩(wěn)定，底板較硬，煤質(zhì)較硬（3.54.2）（1.82.3）工字鋼和金屬摩擦支柱徐州張集礦4204面煤層平均傾角22，直接頂1.27m，粉砂巖，基本頂11.44m，中砂巖巷道斷面6.8工字鋼支架和錨桿支護(hù)棗莊井亭礦6402面煤層傾角14，頂板較硬，6.5m2.52.4單體液壓支柱支護(hù)表1-2 工作面圍巖分類及相應(yīng)的巷旁支護(hù)形式一覽表工作面頂板圍巖分類情況采高/m巷旁支護(hù)形式級(jí)類至級(jí)類3.0高水材料充填級(jí)類至級(jí)類3.0高水灰渣充填級(jí)類至級(jí)類2.5木密集支柱級(jí)類至級(jí)類2.0金屬摩擦密集支柱級(jí)類至級(jí)類3.0混凝土砌塊墻級(jí)類1.5木垛級(jí)類1.5矸石帶1.4 沿空留巷待解決問題及技術(shù)難點(diǎn)到目前為止，我國在沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用方面進(jìn)行了許多的探索，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，從薄煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗(yàn)。但是，由于我國煤礦地質(zhì)條件多樣，沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究復(fù)雜、巷旁支護(hù)技術(shù)還不十分完善，在沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用中仍存在著不足之處，目前在支護(hù)設(shè)計(jì)思路、巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)及理論研究方面還存在一定問題。1）支護(hù)設(shè)計(jì)思路問題。以往采用沿空留巷技術(shù)，支護(hù)設(shè)計(jì)思路不合理，大多將工作面回采前的巷道掘進(jìn)與回采后的留巷相互獨(dú)立，沒有統(tǒng)籌考慮，沒有將沿空留巷視為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，如在對需要保留的巷道掘進(jìn)前，進(jìn)行巷道支護(hù)形式選擇和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有預(yù)先考慮后期沿空留巷技術(shù)的需要，從而導(dǎo)致沿空留巷后巷內(nèi)支護(hù)體強(qiáng)度不能滿足兩次采動(dòng)影響的要求、巷內(nèi)支護(hù)與巷旁支護(hù)不匹配，使留巷效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至失敗。2）巷內(nèi)支護(hù)問題。大量理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，如何提高巷道圍巖強(qiáng)度，并正確選擇合適的巷內(nèi)支護(hù)方式是保證所留巷道在留巷后巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵。隨著綜采、綜放采煤技術(shù)的發(fā)展，工作面采高逐漸加大，由于工作面一次采出的煤層厚度增大，上覆巖層活動(dòng)程度及波及的范圍相應(yīng)增加，回采巷道壓力隨采高的增加而增加，以及已采區(qū)和工作面采動(dòng)引起的支承壓力的疊加作用，使巷道圍巖應(yīng)力增加，使得工作面超前支承壓力影響距離加大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，沿空留巷的頂板下沉量隨開采厚度增加而增大，在工作面前方附近，巷道斷面收縮率較大，若不采取合理的巷內(nèi)支護(hù)方式將所留巷道的變形控制在一定的范圍內(nèi)，則很難保證所留巷道在下區(qū)段回采時(shí)能正常使用。以前國內(nèi)沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)多采用金屬支架，屬被動(dòng)支護(hù)，即使加大型鋼重量、減小棚距仍難以維護(hù)所留巷道的穩(wěn)定，因此有必要采用一種能主動(dòng)提供支護(hù)阻力的巷內(nèi)支護(hù)方式。3）巷旁支護(hù)問題。巷旁支護(hù)作為沿空留巷的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，在我國一直沒有得到很好地解決。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)存在支護(hù)阻力、可縮性等力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)、密閉性能差和機(jī)械化程度低等缺點(diǎn)，不利于巷道維護(hù)和防止采空區(qū)漏風(fēng)與自燃發(fā)火。所以，長期以來我國沿空留巷基本上只是應(yīng)用在條件較好的薄及中厚煤層，條件困難或厚煤層中采用這種方式留巷成功率不高，大部分留巷需要翻修方可復(fù)用。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)方式只適用于中厚以下煤層的低瓦斯礦井和無自然發(fā)火傾向的煤層。高水速凝材料與高水灰渣材料巷旁充填、硬石膏等風(fēng)力充填，都需要建立一套較為復(fù)雜的充填系統(tǒng)，而且充填設(shè)備性能不佳、充填材料成本較高。4）沿空留巷理論研究問題。沿空留巷與一般的回采巷道不同，其巷道的一側(cè)幫為煤體，另一側(cè)幫為巷旁支護(hù)體，屬大變形圍巖，同時(shí)，還必須承受掘進(jìn)和兩次強(qiáng)烈的采動(dòng)產(chǎn)生的疊加應(yīng)力的影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈，它是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程技術(shù)，但到目前為止，對沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究不夠深入，對沿空留巷所處的應(yīng)力環(huán)境及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律掌握不夠，構(gòu)建的沿空留巷受力模型還不完善，還沒有一套行之有效的沿空留巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，不能很好的指導(dǎo)沿空留巷工程實(shí)踐，從而帶來以下兩種后果:（1）因缺乏理論上的正確指導(dǎo)，在沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)為安全系數(shù)越高越好，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失;（2）在沿空留巷設(shè)計(jì)時(shí)，常因巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)參數(shù)選擇不合理而導(dǎo)致留巷失敗，影響正常生產(chǎn)和煤礦安全，并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。2 巷道圍巖的變形機(jī)理及控制研究在深部開采礦井中，當(dāng)開采深度超過軟化臨界深度以后，此時(shí)圍巖處于深井軟巖狀態(tài)，巖體表現(xiàn)出軟巖的特征。處于三向的高應(yīng)力作用下的深井圍巖開挖卸荷后大都表現(xiàn)軟巖的特征，據(jù)文獻(xiàn)參考可將其稱之為高應(yīng)力軟巖。中國礦業(yè)大學(xué)的何滿朝等對煤礦高應(yīng)力軟巖進(jìn)行了定義和分類，從物質(zhì)組成、物理化學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)、力學(xué)強(qiáng)度、軟化災(zāi)變點(diǎn)等方面闡述了高應(yīng)力巖石的工程特征。并通過對深部開采軟巖巷道的變形破壞機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，巷道變形破壞主要是由于支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性在強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)不耦合所造成的;且變形首先從關(guān)鍵部位開始，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。提出要保證深部軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性，必須實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的耦合，即錨網(wǎng)索耦合支護(hù)理論。并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬研究表明，當(dāng)錨桿與圍巖在剛度上實(shí)現(xiàn)耦合時(shí)，能最大限度地發(fā)揮錨桿對圍巖的加固作用;當(dāng)錨網(wǎng)與圍巖在強(qiáng)度上實(shí)現(xiàn)耦合時(shí)，將會(huì)使圍巖的應(yīng)力場和位移場趨于均勻化;當(dāng)錨索與圍巖在結(jié)構(gòu)上耦合時(shí)，可以充分利用深部圍巖強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對淺部圍巖的支護(hù)中國礦業(yè)大學(xué)和四川大學(xué)的周宏偉、謝和平、左建平綜述了深部高地應(yīng)力條件下有關(guān)巖石力學(xué)性質(zhì)的研究進(jìn)展，包括高應(yīng)力條件下巖石的脆一延化特性、巖石的流變特性、巖石的強(qiáng)度特性、巖石的破壞特征。姜耀東、劉文崗、趙毅鑫等對開灤礦區(qū)趙各莊礦、唐山礦深部開采過程中巷道圍巖變形、破壞特征和礦井動(dòng)力顯現(xiàn)觀測的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):開灤礦區(qū)在千米開采時(shí)水平構(gòu)造應(yīng)力遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，原巖應(yīng)力值遠(yuǎn)大于巷道圍巖強(qiáng)度，巷道將不可避免地要遭受破壞并表現(xiàn)為大變形強(qiáng)流變和嚴(yán)重底鼓;原巖應(yīng)力狀態(tài)對巷道圍巖的變形破壞有著重要影響，而巷道形狀對巷道圍巖的破壞形式影響不大。Kwasiniewski根據(jù)亞洲、歐洲、美洲和非洲的101個(gè)砂巖試件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖石的脆一延轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)分析了脆一延轉(zhuǎn)化臨界條件，并研究了脆一延轉(zhuǎn)化過程中的過渡態(tài)性質(zhì)，認(rèn)為過渡態(tài)中，巖石通常具有脆性破壞的特征，也具有延性變形的性質(zhì)，且砂巖脆性態(tài)與過渡態(tài)間的邊界線可由如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系給出 （1-1）式中:P為假三軸實(shí)驗(yàn)的側(cè)向壓力，MPa。德國魯爾、伊本比倫礦區(qū)現(xiàn)采深在800-1500 m，平均采深900 m，地質(zhì)條件較復(fù)雜，施工斷面一般都在20-24 m2以上，這主要是考慮到高產(chǎn)高效礦井通風(fēng)的需要;巷道本身的變形量，盡量使其在使用年限內(nèi)不維修或小維修;配套掘進(jìn)機(jī)組在大斷面巷道內(nèi)施工時(shí)更能靈活使用，發(fā)揮作用;一巷多用，如機(jī)軌合一巷道要求大的斷面等。井下采區(qū)巷道大都采用U型可縮性支架支護(hù)。概括的講深部巷道采用了U型鋼加壁后充填帶加錨桿組合支護(hù)技術(shù)。其支護(hù)參數(shù)為:U型鋼規(guī)格34-40 kg/m，間距500-1000 mm錨桿直徑20-24 mm，間排距700-1000 mm。周宏偉、謝和平、董正亮等分析深部巷道變形的特點(diǎn)后，成功的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)使錨一網(wǎng)一噴支護(hù)系統(tǒng)中每個(gè)支護(hù)體都起到應(yīng)有的作用，提出了改變支護(hù)順序的方法，即改先錨后噴為先噴后錨，并通過在素噴混凝土中摻入適量鋼纖維的方法來改善混凝土噴層的整體力學(xué)性能，使之能很好地適應(yīng)軟巖大變形的力學(xué)特征。得出可供借鑒的三點(diǎn)經(jīng)驗(yàn):（1）深部條件下，巷道掘進(jìn)后應(yīng)立即封閉圍巖，進(jìn)行初噴，掘進(jìn)、噴漿、安裝錨桿和掛網(wǎng)三種工序在一個(gè)小班內(nèi)循環(huán)（三班制），也可靈活控制在兩個(gè)小班內(nèi)循環(huán)（四班制）;（2）深部由于地壓較大，因此應(yīng)盡量提高單根錨桿的錨固力，盡可能實(shí)施全長錨固，并使用快速錨固劑使錨桿及早承載;（3）深部高應(yīng)力軟巖巷道變形較大，可在素混凝土中摻入鋼纖維以改善混凝土的整體力學(xué)性能，使之能適應(yīng)軟巖巷道大變形的需要。中科院巖土所的劉泉生、張華等對淮南礦區(qū)深部巖石巷道地應(yīng)力場和支護(hù)研究的基礎(chǔ)上，提出了煤礦深部圍巖巷道穩(wěn)定受高滲透壓力和溫度梯度的影響。試驗(yàn)和理論分析表明，采用與圍巖內(nèi)部潛在滑移面呈士22.5。布錨方法，運(yùn)用具高初錨力的超高強(qiáng)錨桿支護(hù)，輔助以注漿固結(jié)、能量釋放等措施可有效控制圍巖穩(wěn)定。中國礦業(yè)大學(xué)的劉紅崗、徐金海，采用鉆孔卸壓的方法改變圍巖中的應(yīng)力分布，使支撐壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，從而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。就其機(jī)理和效果結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果用于指導(dǎo)具體的施工，收到了較好的圍巖控制效果。景海河、孫慶國等通過分析深部高應(yīng)力軟巖巷道常規(guī)錨噴支護(hù)的問題指出:常規(guī)錨噴支護(hù)方式不能解決深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)的問題，必須根據(jù)具體的礦壓顯現(xiàn)及支護(hù)破壞原因，采取相應(yīng)的支護(hù)對策。增強(qiáng)圍巖表面約束能力，限制破碎區(qū)向縱深發(fā)展、適時(shí)進(jìn)行二次錨網(wǎng)噴支護(hù)、改善噴層結(jié)構(gòu)和受力、提高二次支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，并在局部實(shí)施錨索支護(hù)等，是解決深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)的有效途徑。3 沿空留巷理論基礎(chǔ)3.1 圍巖控制的關(guān)鍵層理論在直接頂上方存在厚度不等、強(qiáng)度不同的多層巖層,其中一層至數(shù)層厚硬巖層在采場上覆巖層活動(dòng)中起主要的控制作用。把對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。關(guān)鍵層對采場上覆巖層活動(dòng)起主要的控制作用。對沿空留巷來說,關(guān)鍵層主要是指基本頂巖層,它破斷后形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)將直接影響沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性。只要有“砌體梁”結(jié)構(gòu)的存在,給定變形就存在,這一點(diǎn)對沿空留巷極其重要。一般來說,巷旁支護(hù)很難阻止基本頂關(guān)鍵巖塊的旋轉(zhuǎn)下沉,必須具有一定的可縮量,以減少對支架的壓力。同時(shí),為了保持巷道頂板的完整,以及減少頂板下沉量,要求巷旁支護(hù)要有一定的支護(hù)阻力。直接頂?shù)淖冃翁卣鲗﹀^桿支護(hù)特別重要,即錨桿不必承受基本頂回轉(zhuǎn)的給定變形,但卻要適應(yīng)直接頂?shù)淖冃翁卣?。可以通過建立如圖1所示的沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。 垮落角 回轉(zhuǎn)角圖3-1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型3.2 沿空留巷巷道圍巖活動(dòng)規(guī)律結(jié)合關(guān)建層理論研究沿空留巷上覆煤巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)形成機(jī)制及參數(shù)特征。研究上覆巖層的破斷規(guī)律特別是側(cè)向板塊的破斷規(guī)律以及沿空留巷上方上覆煤巖體的穩(wěn)定狀況。3.2.1 沿空留巷上覆巖層破斷規(guī)律上覆巖層的活動(dòng)是引發(fā)沿空留巷巷道壓力和變形劇烈增加的主要原因。所以，研究沿空留巷首先就應(yīng)該對上覆巖層破斷規(guī)律有所認(rèn)識(shí)。上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律特別是側(cè)向板塊的結(jié)構(gòu)及活動(dòng)規(guī)律，對沿空留巷巷道的圍巖變形影響最為顯著。1）上覆巖層的主動(dòng)垮落巖層主要是在自重（或自重和層面內(nèi)應(yīng)力）作用下的垮落稱為主動(dòng)垮落。其特征是巖層垮落前首先與上覆巖層明顯離層，垮落過程中不受上覆巖層力的作用?？迓淝暗陌l(fā)展過程比較緩慢，垮落首先是從某一始發(fā)區(qū)域突破，然后迅速發(fā)展，沿殘留邊界旋轉(zhuǎn)式垮落。這種垮落是自下而上“傳遞式”發(fā)展的，分層分次明顯，一次垮度不大，往往僅一個(gè)分層或少數(shù)幾個(gè)分層組成的層組一次垮落。其來壓強(qiáng)度取決于二次垮落的面積和巖層組厚度、面積越大巖:層組越厚，垮落對邊界支護(hù)所產(chǎn)生的沖擊越重。直接頂初次垮落、老頂初次來壓都屬這種形式的垮落?？迓渲饕亲詮澗匾鸬摹，F(xiàn)場實(shí)測得到的圍巖變形速度的波動(dòng)性也充分證明了這一點(diǎn)。已有研究結(jié)果表明，在巖層發(fā)生離層前，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，很容易使頂板巖層首先沿巷旁支護(hù)外側(cè)采空區(qū)一側(cè)切斷，垮落時(shí)對所架設(shè)的巷道支護(hù)的沖擊較小，支護(hù)的變形也較小。為了比較，在巖層離層后再架設(shè)同樣支護(hù)，而頂板巖層就會(huì)首先沿煤幫折斷，垮落時(shí)對支護(hù)的沖擊較大，支護(hù)變形也較大。這種現(xiàn)象表明了沿空留巷是一個(gè)系統(tǒng)工程，合理的留巷支護(hù)設(shè)計(jì)施工對上覆巖層垮落具有明顯的主動(dòng)控制作用。而且證明為了取得良好的沿空留巷護(hù)巷效果，及早進(jìn)行巷內(nèi)支護(hù)以及保證支護(hù)以及保證具有較大的初撐力來及時(shí)控制圍巖活動(dòng)是十分重要的。主動(dòng)垮落的另一特點(diǎn)是，隨著工作面推進(jìn)，垮落層位不斷升高，巖層破壞的形式是由橫破斷正破斷豎破斷。破斷時(shí)，平行于長邊的邊界支護(hù)受到的影響大。當(dāng)豎的長寬比增大到一定值后，上覆巖層不再向上垮斷。此時(shí)，上覆巖層垮落的第一個(gè)循環(huán)已經(jīng)完成，這個(gè)循環(huán)過程稱為上覆巖層垮斷的初循環(huán)如圖3-2。圖3-2 頂板垮落循環(huán)示意圖2）上覆巖層的被動(dòng)垮落巖層在本位巖層下沉的迫使下的垮落稱為被動(dòng)跨落。這種垮落形式往往是兩種垮落形式的組合，其下位巖層屬被動(dòng)垮落，上位巖層是主動(dòng)垮落。這種垮落形式的特征是垮落發(fā)展的速度快，每次垮落都是一個(gè)巖層組，其厚度較大（圖4a陰影部分）。垮落時(shí)對采空區(qū)邊界的沖擊程度主要取決于一次垮落的厚度，厚度越大，來壓強(qiáng)度越大，有時(shí)垮落面積并不大，但強(qiáng)度很大。老頂周期性來壓常屬這種垮落形式。垮落通常是由彎矩和剪力組合引起的，有時(shí)易產(chǎn)生滑落、或臺(tái)階下沉。由圖4b可以看出，無論是主動(dòng)垮落選是被動(dòng)垮落，其垮落頂板下位巖層矩形板的長邊一般都平行于工作面。上覆巖層垮落所產(chǎn)生的動(dòng)壓，對移動(dòng)邊界（即工作面采場）的影響比對固定邊界（沿空留巷）的影響嚴(yán)重得多。這種結(jié)果表明，上覆巖層垮落時(shí)，沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)的劇烈程度明顯小于采場中的礦壓顯現(xiàn)程度，也說明了實(shí)際中為什么工作面前方動(dòng)壓影響范圍明顯大于工作面兩側(cè)煤體中的影響范圍的問題。這與用彈性力學(xué)板殼理論計(jì)算出的固支矩形板長邊上的彎矩大于短邊上的彎矩的結(jié)果相吻合。換句話說，沿空留巷支護(hù)阻力必然小于工作面采場支架的支護(hù)阻力，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。不同類型的上覆巖層，其垮落形式十分不同。下軟上硬的巖層以主動(dòng)垮落為主，而下硬上軟的巖層則以被動(dòng)垮落為主，被動(dòng)垮落比主動(dòng)垮落難控制得多。如果使被動(dòng)垮落的邊界沿支護(hù)的外側(cè)切斷，需要的支護(hù)剛度和支護(hù)阻力要大得多。3）主動(dòng)垮落與被動(dòng)垮落的空間關(guān)系一垮落循環(huán)上述上覆巖層垮落的初循環(huán)過程中，上位巖層的主動(dòng)垮落相當(dāng)于彈塑性力學(xué)中四邊固支的矩形板在分布載荷作用下的破斷情況。初循環(huán)完成之后，就是周期垮落循環(huán)。在周期垮落循環(huán)過程中，不管是主動(dòng)垮落，還是被動(dòng)垮落，都相當(dāng)于彈塑性力學(xué)中三邊固定，一邊自由的矩形板在分布載荷作用下的破斷情況從沿工作面推進(jìn)方向所作的縱剖面圖可以看出，每完成一個(gè)周期垮落循環(huán)都包括幾次上覆巖層垮落。這幾次垮落的步距不同;往往前面的大于后面的。但被動(dòng)垮落厚度越往后越大，因此在垮落過程中，一般表現(xiàn)為后面的垮落對工作面所產(chǎn)生的來壓強(qiáng)度較大，說明頂板周期性來壓時(shí)，往往垮落步距較小，而來壓強(qiáng)度反而較大。這種現(xiàn)象在生產(chǎn)實(shí)踐中也經(jīng)常觀測到。工作面周期來壓是不均衡的，周期來壓步距并不相同。相鄰的兩次周期來壓，其來壓步距、來壓強(qiáng)度往往都不相同，沒有相似性。由此表明，周期來壓循環(huán)的提法應(yīng)該是有道理的。因?yàn)楦鱾€(gè)周期循環(huán)不管在總的垮落步距上，還是在垮落厚度上都非常相似。總之，在每一個(gè)循環(huán)中，主動(dòng)垮落的層位不斷提高，步距不斷增大，而被動(dòng)垮落的步距往往不斷減小;但厚度有所增加。主動(dòng)垮落隨著層位的升高，盡管步距有所增大，但對采場及巷道造成的影響不斷減少。而被動(dòng)垮落隨著垮落厚度的增加，盡管垮落步距可能較小，但對采場及巷道造成的動(dòng)壓影響則不斷加重。上述特點(diǎn)對研究沿空留巷以及采場支護(hù)對圍巖相互作用機(jī)理，尋找合理控制巖層活動(dòng)的方式和設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)都是十分重要的。3.2.2 沿空留巷圍巖活動(dòng)空間特征采空區(qū)頂板巖層垮斷活動(dòng)形成的最后空間結(jié)構(gòu)是一種柱面體;旋轉(zhuǎn)體的母線（即垮斷線）與軸線的夾角是垮斷角。由圖3-3可以看出，微破裂區(qū)邊界到垮斷下沉區(qū)邊界形成了不對稱的幾個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面體的依次嵌套，二次破斷區(qū)及微破裂區(qū)隨著距工作面距離的增大而增大。（a）頂板破壞分區(qū)示意圖 （b）頂板破壞斷面示意圖圖3-3 頂板破壞示意圖不同的支護(hù)方式對頂板的前期活動(dòng)有顯著影響，結(jié)合關(guān)鍵層理論給出了老頂（關(guān)鍵層）斷裂后幾何尺寸。在巖層出現(xiàn)破斷裂縫之前，進(jìn)行足夠初撐力和剛度的巷內(nèi)充填支護(hù)，能保證頂板的破斷線在巷內(nèi)充填體的外側(cè)，巷道處于III區(qū)下方，支護(hù)前期變形小，此時(shí);支護(hù)的效果好;當(dāng)頂板沿煤幫破斷后再進(jìn)行同樣的支護(hù)，則頂板的破斷線將發(fā)生在煤幫處，使巷道處于II區(qū)下方，此時(shí)支護(hù)前期變形大，甚至損壞，支護(hù)的效果差。我們把在頂板巖層前期垮落過程中，支護(hù)所起的作用稱為支護(hù)的前期作用。支護(hù)的前期作用主要是盡可能的使頂板破斷線位于巷內(nèi)充填體外側(cè)。提高支護(hù)作用效果的合理方式是及早支護(hù)，提高支護(hù)初撐力、支護(hù)增阻速度以及前期支護(hù)剛度。能保證頂板斷裂線在巷內(nèi)充填體外側(cè)所要求的最小前期支護(hù)參數(shù)值稱之為支護(hù)前期作用的臨界值，大于這個(gè)臨界值都可保證頂板斷裂線在支護(hù)外側(cè)。根據(jù)極限分析理論，當(dāng)巖層破斷時(shí)，能使頂板沿充填體支護(hù)集中力作用點(diǎn)破斷所需的充填體支護(hù)阻力稱為支護(hù)阻力。留巷支護(hù)體的合理支護(hù)阻力不得小于冒落巖層的載荷頂板巖層進(jìn)入后期活動(dòng)過程的主要特點(diǎn)是巷道上方巖層可能冒落。頂板巖層平移或反轉(zhuǎn)下沉引起的煤幫擠出和底鼓量加劇。我們把支護(hù)在這個(gè)過程中的作用稱為支護(hù)的后期作用?？梢?，支護(hù)的后期作用是保證巖層不垮落，防止煤幫擠出或片幫造成巷道狀況惡化;加固煤幫以提高煤幫承載能力，減少后期下沉量，加固底板、減少底鼓量。同時(shí)，要求支護(hù)有足夠的雙向可縮性以適應(yīng)頂板巖層整體下沉引起的給定變形。支護(hù)后期作用，能夠維持頂板巖層（相當(dāng)于前期冒落帶厚度的巖層）不冒落，并與上部巖層不離層。不同采高和不同巖性的直接頂板，所需要的支護(hù)前期作用的臨界值不同。采高越大，直接頂板越硬，多分層越厚，臨界值就越大，反之則越小。不同邊界條件下關(guān)鍵層斷裂的幾何尺寸有以下四種情況： 1）四邊固支 （ab時(shí)，L1=0.866b 2）三邊固支，一邊簡支 （3-2） （3-3）當(dāng)ab時(shí)，L1=0.4b（正方形）；當(dāng)ab時(shí)，L1=0.866b 3）三邊簡支，一邊固支 （3-4）當(dāng)ab時(shí)，L1=0.5b（正方形）；當(dāng)ab時(shí)，L1=1.22b 4）兩邊固支，兩邊簡支 （3-5） （3-6）當(dāng)ab時(shí)，L1=0.5b（正方形）；當(dāng)ab時(shí)，L1=1.22b 式中：L1老頂巖層側(cè)向半塊斷裂后的跨度，m；a 工作面長度與巷道寬度之和，m；b 工作面初次來壓布距或周期來壓布距，m。3.2.3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及沿空留巷的受力狀況1）礦壓顯現(xiàn)規(guī)律沿空留巷是無煤柱工藝的一種類型，是將已采工作面后方的運(yùn)輸槽或回風(fēng)順槽用一定方法沿采空區(qū)保留下來，作為下一工作面的順槽，它在工作面后方沿采空區(qū)邊界維護(hù)巷道，由于要經(jīng)受一次掘進(jìn)和兩次采動(dòng)的影響，其礦壓顯現(xiàn)和巷道維護(hù)都比較復(fù)雜。特別是巷道斷面比較大的情況下，巷道礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。沿空留巷情況更為復(fù)雜。在回采工作面后方附近，已采區(qū)冒落巖石在上覆巖層作用下向巷道擠壓，一般情況下，沿空留巷的頂板下沉在工作面后方10-20m處最為強(qiáng)烈，頂板下沉主要發(fā)生在工作面后方0-40m范圍內(nèi)，60-70m頂板下沉趨向穩(wěn)定。我們可將沿空留巷分為6個(gè)階段，各階段的范圍與巷道變形見表3-1表3-1 沿空留巷各階段范圍與圍巖變形巷道維護(hù)第一工作面前方第一工作面后方第二工作面前方階段不受影響影響強(qiáng)烈影響緩和穩(wěn)定二次影響范圍/m202000-60-60-100-100400頂?shù)装逡平俣?mmd-11平均為5平均為10最大為2030平均為31平均為15最大為3040頂?shù)装逡平?mm-50200300-200直接頂板冒落后，能填滿采區(qū)，使老頂能處于平衡狀態(tài)，采動(dòng)期間沿空留巷的頂板下沉量與煤層采厚呈現(xiàn)正比關(guān)系，一般少則為采厚的10%，多則為15% 20%，煤層采厚愈小，愈有利于沿空留巷的維護(hù)。沿空留巷靠采空區(qū)一側(cè)的頂板下沉量比靠煤幫處要大一倍左右，直接頂明顯地向采空區(qū)方向傾斜，傾斜度與上方裂隙帶巖層相近似，一般為6左右。凡直接頂板冒落后能使老頂獲得支承和平衡的頂板巖層，基本支架的阻力可按能支承直接頂板的巖層重量考慮，即相當(dāng)于4倍采厚的巖層重量，支架的可縮量應(yīng)能與裂隙帶巖層沉降量相適應(yīng)。支架的工作狀態(tài)主要取決于支架的結(jié)構(gòu)和頂?shù)装鍘r層的性質(zhì)。沿空留巷對支架工作狀態(tài)的要求是:巷道受采動(dòng)影響后，支架能迅速增阻，然后保持恒阻。即堅(jiān)持以“頂”為主，“頂、讓兼顧”的原則進(jìn)行支護(hù)。在上區(qū)段工作面后方附近的沿空留巷維護(hù)比較困難，隨著采空區(qū)頂板巖層運(yùn)動(dòng)趨向穩(wěn)定，巷道的圍巖變形速度迅速衰減并趨穩(wěn)定，直到受下區(qū)段工作面采動(dòng)影響期間，巷道維護(hù)不太困難。煤幫的應(yīng)力和穩(wěn)定性對沿空留巷的頂板也產(chǎn)生明顯影響。若巷道的煤幫遭到嚴(yán)重破壞，裂隙帶巖層的沉降就會(huì)向煤體縱深發(fā)展，巷道的頂板下沉量和煤幫位移量都將明顯增長。2）巷道礦壓顯現(xiàn)階段及圍巖變形沿空留巷的關(guān)鍵是依據(jù)礦壓及圍巖變形規(guī)律，選擇相適應(yīng)的支護(hù)形式與護(hù)巷方式。沿空留巷的巷道圍巖變形一般經(jīng)歷以下五個(gè)階段：（1）開掘影響階段此階段支架受力來自兩個(gè)方面:一方面來自掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力重新分布;另一方面由于受技術(shù)設(shè)備等條件的限制，工作面傾斜長度較短，上個(gè)工作面回采后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，此階段圍巖變形量約14 mm。（2）掘進(jìn)后穩(wěn)定階段此階段支架基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖只受其流變性影響發(fā)生微量蠕變，其頂?shù)装逡平俣葹?.38 mm/d。（3）第一次采動(dòng)影響階段此階段圍巖變形較大，支架破壞嚴(yán)重，其成因有兩個(gè)方面:一方面是直接頂?shù)碾x層、破裂和變形，二是老頂?shù)某两怠４送?，其變形特點(diǎn)為上幫圍巖較下幫變形速度快，其規(guī)律見曲線圖3-4（4）采動(dòng)影響后穩(wěn)定階段此階段支架受力主要為來自工作面殘余應(yīng)力，圍巖變形較第二階段稍大，頂?shù)装逡平繛?.72 mm/d，支架基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。（5）第二次采動(dòng)影響階段此階段支架主要受力為上工作面殘余應(yīng)力和本工作面超前支承壓力，其圍巖變形速度較大，支架變形亦十分嚴(yán)重見圖3-5，在工作面前方有支架破壞現(xiàn)象。綜上所述，對于傾斜長度不大的工作面的沿空留巷其礦壓及圍巖變形特點(diǎn)主要是:（1）沿空巷道一直受到上工作面殘余支承壓力的作用。（2）巷道圍巖主要變形階段在第一次和第二次采動(dòng)影響階段，而第二次采動(dòng)影響階段即復(fù)用期，由于回采后巷道將報(bào)廢，不需要再作較大的維護(hù)，只要在設(shè)計(jì)巷道時(shí)考慮其變形量則可，因而主要在于控制第一次采動(dòng)影響階段的圍巖變形。（3）在整個(gè)過程期間，上幫的頂?shù)装逡平俣群鸵平烤笥谙聨?。圖3-4 巷道頂?shù)滓平?guī)律 圖3-5 二次采動(dòng)期間巷道頂?shù)滓平?guī)律4 沿空留巷巷旁充填技術(shù)4.1 巷旁充填支護(hù)變形機(jī)理影響巷旁充填支護(hù)變形主要有2個(gè)因素,一是作用在充填體上的載荷,二是充填墻體的強(qiáng)度。根據(jù)支承壓力沿煤層傾斜方向的顯現(xiàn)規(guī)律,沿空留巷處于比原始應(yīng)力低的卸壓帶,卸壓帶能在工作面回采過后長時(shí)間保持,所以該區(qū)域沿空留巷巷道受壓小,維護(hù)容易,如圖4-1所示。但基本頂回轉(zhuǎn)影響直接頂?shù)姆€(wěn)定性,當(dāng)基本頂破斷時(shí),其巖塊的回轉(zhuǎn)迫使直接頂變形,隨著基本頂回轉(zhuǎn)角的擴(kuò)大,在直接頂上部形成拉斷區(qū)和巷道上的塑性區(qū),圖4-2所示。 圖4-1 支撐壓力分布區(qū)及塑性區(qū) 1拉斷區(qū)2塑性區(qū)3回轉(zhuǎn)角圖4-2 基本頂回轉(zhuǎn)影響4.2 巷旁充填體初期所需支護(hù)阻力工程計(jì)算巷旁充填體構(gòu)筑初期（ld），充填體支護(hù)作用的對象是直接頂，相互作用的力學(xué)力學(xué)模型如圖4-3所示。 （a） （b）圖4-3 沿空留巷圍巖受力模型對圖中所示的ABCD煤巖塊進(jìn)行受力分析.為安全起見，設(shè)ABCD煤巖塊與圍巖無力學(xué)聯(lián)系，并考慮工作面有周期來壓情況，引入周期來壓增壓系數(shù)Kt，則得: （4-1）式中Pc巷旁充填體構(gòu)筑1d后的支護(hù)阻力,N/m；Ph巷內(nèi)支護(hù)對ABCD塊直接頂?shù)钠骄ёo(hù)強(qiáng)度,N/m2；a巷道寬度,m；b巷旁充填體寬度,m；u每日充填長度,m；L充填體距工作面煤壁距離,m；hz直接頂厚度,m；Kt周期來壓增壓系數(shù)；z直接頂?shù)娜葜?N/m3。4.3 巷旁充填體后期所需支護(hù)阻力工程計(jì)算隨著回采工作面推進(jìn)，控頂范圍逐漸增大，引起一定高度的老頂依次破斷、失穩(wěn)。巷旁充填體合理的阻力要能滿足基本頂垮落后能夠充滿采空區(qū)，使被切斷基本頂?shù)纳衔粠r層在研石、煤體、巷內(nèi)支護(hù)與巷旁充填體的共同支撐作用下取得運(yùn)動(dòng)的平衡。根據(jù)大量巷旁充填沿空留巷實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明，巷旁充填體后期阻力P與初期所需支護(hù)阻力Pc的關(guān)系可用下式表示: Pq=KPc （4-2） （4-3）式中K為切斷基本頂系數(shù)，一般取K為3。4.4 巷旁充填體寬度設(shè)計(jì)將有關(guān)參數(shù)代入Pc和Pq得到巷旁充填體所需強(qiáng)度與巷旁充填體寬度b的關(guān)系，因深井大斷面沿空巷道式中增加一個(gè)增壓系數(shù)Kl，分別為:充填體初期強(qiáng)度：充填體后期強(qiáng)度：由此繪出巷旁充填體所需強(qiáng)度與巷旁充填體寬度b的關(guān)系圖，如圖4-4、4-5所示。根據(jù)新型充填材料的有關(guān)性質(zhì)，選取有關(guān)參數(shù)值，從而可得到所需巷旁充填體的寬度。 圖4-4 充填體初期所需強(qiáng)度與寬度關(guān)系圖 圖4-5 充填體后期所需強(qiáng)度與寬度關(guān)系圖4.5 巷道寬度與充填體強(qiáng)度關(guān)系將有關(guān)參數(shù)代入Pc和Pq得到巷旁充填體所需強(qiáng)度與巷旁充填體寬度b的關(guān)系，因深井大斷面沿空巷道式中增加一個(gè)增壓系數(shù)Kl，分別為:充填體初期強(qiáng)度：充填體后期強(qiáng)度：由此繪出巷旁充填體所需強(qiáng)度與巷道寬度a的關(guān)系圖，如圖4-6、4-7所示。 圖4-6 充填體初期所需強(qiáng)度與巷道寬度關(guān)系圖圖4-7 充填體后期所需強(qiáng)度與巷道寬度關(guān)系圖深井巷道隨著巷道斷面的增大，對充填體強(qiáng)度的要求也成線性增長，大斷面巷道的沿空留巷對充填體強(qiáng)度要求也高。從而給圍巖控制加大了難度。4.6 充填體變形的控制從沿空留巷圍巖關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中可以看到，充填體主要承受關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)動(dòng)引起的給定變形，除需要有一定的強(qiáng)度外，更需要有足夠的抗變形能力。沿空留巷充填支護(hù)實(shí)踐表明，充填體的穩(wěn)定強(qiáng)度可達(dá)10 14 MPa，而一般破碎煤體的強(qiáng)度僅為0.5 MPa左右。如充填體寬度以2.5m計(jì)，其每米長度的支護(hù)強(qiáng)度Pc為： Km一般小煤柱支護(hù)的煤柱寬度以4m計(jì)，其每米長度的支護(hù)強(qiáng)度Pm為： Km由以上比較可以看出，充填體的支護(hù)強(qiáng)度Pc比一般小煤柱支護(hù)的強(qiáng)度Pm高得多。因此，充填體的抗變形能力控制是沿空留巷支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵之一。一般來說，充填體很難阻止老頂關(guān)鍵塊的旋轉(zhuǎn)下沉，必須具有一定的可縮量，以減小對充填體的壓力。為了保持巷道頂板的完整，以及減少頂板下沉量，要求充填體又要具有一定的支護(hù)阻力。從所留巷道兩側(cè)介質(zhì)的剛度匹配來說，巷道一側(cè)是具有一定可縮量的彈塑性介質(zhì)的煤體，另一側(cè)是巷旁充填帶，若巷旁充填體所具有的可縮量很小或基本上是剛性的，則會(huì)造成頂板下沉不均衡，對巷道維護(hù)不利。因此對充填體的抗變形控制可以從充填材料的力學(xué)特性上著手。綜上有以下幾點(diǎn)應(yīng)該考慮：1）頂板下沉量與充填體強(qiáng)度及巖層力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，充填體強(qiáng)度越高，頂板下沉量越?。豁敯搴穸仍酱?，頂板下沉量越??；頂板下沉量與巷道寬度成正比例關(guān)系，巷道寬度越大，頂板下沉量增長幅度越大。通過力學(xué)模型分析對深井大斷面沿空留巷的圍巖變形有了量的認(rèn)識(shí)。2）沿空留巷煤幫煤體應(yīng)力分布和極限平衡區(qū)寬度對煤幫變形影響很大。極限平衡區(qū)的寬度越大，則煤幫向巷道內(nèi)的移近量越大。而極限平衡區(qū)的寬度與巷道埋深、巷道高度、界面力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)阻力等因素有關(guān)。隨著巷道埋深、巷道高度的增加和界面粘聚力、內(nèi)摩擦角的降低，極限平衡區(qū)的寬度增大。3）根據(jù)新型充填材料的性質(zhì)和現(xiàn)場工作進(jìn)度、工作面具體地質(zhì)條件結(jié)合充填體變形力學(xué)分析，可以科學(xué)的優(yōu)化并調(diào)整充填材料的配合比，從而更合理的確定充填體的強(qiáng)度和寬度。5 工程實(shí)踐5.1 工程地質(zhì)條件巷旁充填沿空留巷試驗(yàn)工作面位于-700 m，工作面回采煤層為山西組9煤，煤層厚度0.8 2 m，平均傾角27.5；工作面走向長度323 m，傾斜長120.6 m。9 圖5-1 工作面綜合柱狀圖煤下方還有一層煤，煤厚0.8 1.2 m，兩層煤之間發(fā)育一層夾矸，巖性以粉砂巖為主，厚度0.8 1.4 m。9煤無偽頂，直接頂為粉砂巖，基本頂為細(xì)砂巖。工作面綜合柱狀如圖5-1。5.2 巷內(nèi)錨桿支護(hù)參數(shù)采用錨桿支護(hù)作為巷內(nèi)支護(hù)方式,以便在沿空留巷期間更好地控制圍巖變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定。工作面皮帶巷沿煤層頂板掘進(jìn),巷道上幫高3.2 m,下幫高1.5 m,寬3.6 m,斷面面積10 m2左右,巷道掘進(jìn)時(shí)錨桿布置見圖5-2。 圖5-2 掘巷時(shí)支護(hù)布置圖（1）頂板采用181800mm的等強(qiáng)無縱筋螺紋鋼錨桿,用CK2335、Z2335樹脂藥卷2支錨固間排距800800 mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁。（2）兩幫采用161800mm圓鋼錨桿,用CK2335一支、Z2335樹脂藥卷2支錨固,鐵托板內(nèi)加墊木托板,錨桿間排距800800 mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng)。（3）巷中施工一排錨索,15.247000，mm采用1支CK2335樹脂藥卷,2支Z2350樹脂藥卷錨固,間距4 m。（4）頂板錨桿錨固力80 kN,兩幫錨固力40 kN,錨索初錨力在100120 kN。5.3 巷旁支護(hù)參數(shù)5.3.1 巷旁支護(hù)阻力隨著回采面的推進(jìn),控頂范圍擴(kuò)大,引起基本頂破斷、失穩(wěn),巷旁支護(hù)體具有的支護(hù)阻力應(yīng)使基本頂沿巷旁支護(hù)體側(cè)的彎矩達(dá)到極限彎矩,從而切斷基本頂,根據(jù)工作面的地質(zhì)條件,計(jì)算得到巷旁支護(hù)體的切頂阻力為6660 kN/m。5.3.2 巷旁支護(hù)材料為減少充填材料的制作、運(yùn)輸環(huán)節(jié),降低成本,用水泥、煤為原料加水混合后作充填材料。在保證支護(hù)體強(qiáng)度達(dá)到切頂阻力要求的前提下,盡量減少水泥的用量,降低充填成本。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定水、水泥、煤的質(zhì)量比為2:3:7,試塊第三天強(qiáng)度可以達(dá)到4.66 MPa,試驗(yàn)結(jié)果見表5-1。根據(jù)巷旁支護(hù)體的切頂阻力及充填材料的力學(xué)性能,確定巷旁支護(hù)體寬1.5 m。表5-1 充填材料力學(xué)性能質(zhì)量比水：水泥：煤水泥占總體積的百分比3d強(qiáng)度/MPa7d強(qiáng)度/MPa14d強(qiáng)度/MPa2：3：711.634.665.66.25.4 礦壓觀測結(jié)果及分析文中“-”表示測站在工作面后方;“+”表示測站在工作面前方。“上幫”指靠近采空區(qū)側(cè),“下幫”指靠近實(shí)體煤側(cè)。工作面前方巷道圍巖變形見圖5-3、圖5-4。由圖可見,回采工作面超前支承壓力劇烈影響范圍20 m。工作面后方巷道圍巖變形見圖5-5、圖5-6。構(gòu)筑巷旁支護(hù)體后巷道圍巖變形大致分為四個(gè)階段:第一階段:0 -10 m范圍,采空側(cè)由單體液壓支柱支護(hù),由于離工作面相對比較近,頂?shù)装宓南鄬σ平容^平緩,移近量較小。第二階段:-10 -40m范圍,巷道受到工作面周期來壓的影響,沿空留巷上覆巖層活動(dòng)劇烈巷道圍巖變形劇烈,不論上幫還是下幫,相對移近速度最大達(dá)9 mm/d以上,在該范圍內(nèi)圍巖變形速度達(dá)到最大值,盡管如此,與傳統(tǒng)巷旁支護(hù)方式如矸石帶、木跺等相比較,巷道圍巖相對移近量較小。第三階段:-40 -80 m范圍,巷道圍巖活動(dòng)程度減弱,頂?shù)装逑鄬σ平颗c移近速度均較小。 圖5-3 工作面前方圍巖變形與工作面