摘要：隨著錨桿支護(hù)技術(shù)及綜采（放）技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用，一方面錨桿支護(hù)在控制巷道圍巖穩(wěn)定的同時(shí)，卻會(huì)使采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重；另一方面工作面瓦斯涌出量急劇增大，給煤礦安全生產(chǎn)造成安全隱患。采用沿空留巷技術(shù)不僅可以發(fā)揮錨桿支護(hù)控制圍巖穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，而且能夠改變采空區(qū)的風(fēng)流及瓦斯運(yùn)移規(guī)律，大大提高了瓦斯難抽放、易自燃煤層工作面的單產(chǎn)水平。沿空留巷技術(shù)是煤礦安全開(kāi)采技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與安全高效開(kāi)采效益。

關(guān)鍵詞：柔?；炷粒幻禾块_(kāi)采；錨桿支護(hù)；圍巖穩(wěn)定；沿空留巷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TD353 文章編號(hào)：1009-2374（2015）05-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0392

1 概述

我國(guó)是世界上產(chǎn)煤第一大國(guó)，目前中國(guó)的煤炭年產(chǎn)量占世界全部年產(chǎn)量的46%，煤炭為我國(guó)各行各業(yè)提供了近70%的能源；即使到2050年中國(guó)形成能源的多元結(jié)構(gòu)，煤炭仍然要在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占40%以上的份額。我國(guó)《能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要（2004～2020年）》中已經(jīng)確定，中國(guó)將堅(jiān)持“以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展的能源戰(zhàn)略”。中國(guó)煤炭工業(yè)將繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭作為我國(guó)主導(dǎo)能源與基礎(chǔ)能源的地位都無(wú)法替代。

隨著我國(guó)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，特別是高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿與銷(xiāo)索支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，使大斷面回采巷道的使用成為可能。沿空留巷技術(shù)是煤礦開(kāi)采發(fā)展方向之一。煤礦瓦斯治理是世界性難題，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家多次發(fā)生瓦斯爆炸事故。沿空留巷技術(shù)是煤礦開(kāi)采及回釆巷道支護(hù)技術(shù)的一項(xiàng)重大改革，對(duì)提高煤炭資源回收率、降低巷道掘進(jìn)率、緩減采掘緊張關(guān)系和實(shí)現(xiàn)礦井集約化生產(chǎn)有顯著效果，并為高效抽采采動(dòng)卸壓煤層氣、治理煤層群瓦斯提供最佳的工作空間。因此，對(duì)深井大斷面沿空留巷圍巖穩(wěn)定控制機(jī)理進(jìn)行深入研究可以為深部礦井的煤與瓦斯共采和我國(guó)煤炭資源的綠色開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。

2 圍巖活動(dòng)規(guī)律分析

留巷圍巖變形在采動(dòng)影響下由不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定，具體過(guò)程如下：首先在回采工作面超前支承壓力作用下，煤壁前方的留巷頂板發(fā)生變形、破壞。其次當(dāng)回采工作面推進(jìn)到巷道其中的某一斷面時(shí)，靠近已經(jīng)工作面?zhèn)仁ッ簬偷闹?，因此留巷頂板急劇下沉，并且急劇向采空區(qū)側(cè)傾斜。當(dāng)直接頂垮落充滿采空區(qū)后，又對(duì)老頂位態(tài)進(jìn)行了限制，裂隙帶巖層得以支撐，使得留巷頂板變形緩和。最后采空區(qū)矸石被進(jìn)一步壓實(shí)后，留巷圍巖變形又得以穩(wěn)定。

沿空巷道頂板移動(dòng)規(guī)律受采場(chǎng)覆巖破斷規(guī)律的影響，特別是采空區(qū)側(cè)的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律留巷圍巖的活動(dòng)起到?jīng)Q定作用。工作面推進(jìn)一定距離后，采空區(qū)老頂將形成“O-X”型破斷。由于老頂?shù)谋旧砗穸取⒖估瓘?qiáng)度、墊層（煤層和直接頂）、載荷層厚度等因素的影響，老頂一般在煤體內(nèi)斷裂。理論和實(shí)測(cè)沿空留巷礦山壓力研究結(jié)果表明，柔?；炷亮粝飮鷰r結(jié)構(gòu)模型的建立是基于截面單位寬度進(jìn)行的。

3 沿空留巷圍巖與支護(hù)剛度匹配分析

3.1 直接頂剛度分析

留巷直接頂在單軸載荷作用下，其剛度為：

3.2 巷旁支護(hù)剛度分析

混凝土支護(hù)剛度：

混凝土支護(hù)彈性模量：

3.3 留巷底板剛度研究

不同于采場(chǎng)底板，由于留巷底板暴露時(shí)間比較長(zhǎng)，采動(dòng)影響后裂隙非常發(fā)育，在長(zhǎng)期通風(fēng)、排水等因素作用下，圍巖進(jìn)一步老化?，F(xiàn)場(chǎng)勘察表明，底板下部0.6m范圍內(nèi)，圍巖受到破壞，幾乎沒(méi)有承載能力。滿足溫克爾假設(shè)條件，地基系數(shù)可近似表示為：，其中，H代表直接底的厚度，m；Es代表直接底的壓縮

模量。

直接底變形模量與壓縮模量之間可通過(guò)下式描述：

分析上述公式發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)降低直接底板的厚度或提高底板的強(qiáng)度來(lái)提高底板剛度。

4 動(dòng)壓巷道圍巖變形規(guī)律及破裂范圍

井下開(kāi)采時(shí)，巷道穩(wěn)定性受多種因素影響，主要包括：（1）巷道受到的應(yīng)力；（2）巖石自身力學(xué)性質(zhì)，包括單向抗壓極限強(qiáng)度、應(yīng)變軟化程度（系數(shù)）和殘余強(qiáng)度等；（3）支護(hù)，包括巷道掘進(jìn)半徑和支護(hù)阻力。破裂區(qū)范圍越大，彈塑性變形誘導(dǎo)的巷道收斂就越小，破裂膨脹變形誘導(dǎo)的巷道收斂就越大。巷道礦山壓力控制主要是控制圍巖的破裂區(qū)范圍，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，分析2307輔助進(jìn)風(fēng)巷破裂范圍以及工作面礦壓出現(xiàn)規(guī)律，并由此確定巷道礦壓控制原則和控制措施。

沿空留巷頂板巖層活動(dòng)劇烈，因此必須通過(guò)巷內(nèi)支護(hù)手段控制圍巖大變形。巷內(nèi)支護(hù)一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的橫向剪切錯(cuò)動(dòng)，另一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的縱向碎脹變形，即將頂板垮落帶范圍內(nèi)的巖層錨固成一個(gè)“組合剛性頂板”，提高頂板剛度，確保留巷頂板與柔?；炷料锱灾ёo(hù)的剛度匹配，更好地控制圍巖變形。被動(dòng)支護(hù)不具有這種能力，只能通過(guò)高強(qiáng)度、高剛度和高預(yù)應(yīng)力的錨桿（索）主動(dòng)支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于“組合剛性頂板”理論的支護(hù)設(shè)計(jì)方法：在沿空留巷的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合理論研究，提出了沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)的“組合剛性頂板”理論。該理論的主要思想就是當(dāng)錨桿（索）長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)力和支護(hù)強(qiáng)度大到一定程度時(shí)，沿空留巷垮落帶范圍內(nèi)的頂板離層和橫向剪切錯(cuò)動(dòng)得以消除，使巷道頂板形成“組合剛性頂板”，不考慮巷旁支護(hù)的影響，該頂板本身也是一個(gè)“自承結(jié)構(gòu)”?；凇敖M合剛性頂板”理論的三步驟巷內(nèi)錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)流程為：圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估→錨桿（索）設(shè)計(jì)→支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

沿空留巷直接頂板的剛度與其整體強(qiáng)度和控頂距（巷道寬度和巷旁支護(hù)寬度之和）之積成正比，與直接頂板厚度成反比。柔?；炷裂乜樟粝锵锱灾ёo(hù)剛度與柔?；炷恋膹?qiáng)度和巷旁支護(hù)寬度之積成正比，與巷旁支護(hù)高度成反比。巷道圍巖隨著開(kāi)采深度增大或受動(dòng)壓影響，切向應(yīng)力峰值位置向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，而巷道周邊巖體的承載能力逐漸降低。同時(shí)，開(kāi)采深度增加或受動(dòng)壓影響，巷道圍巖應(yīng)力增大，導(dǎo)致巷道圍巖破裂范圍增大，從而使得巷道圍巖穩(wěn)定性大大降低。沿空留巷頂板巖層活動(dòng)劇烈，因此必須通過(guò)巷內(nèi)支護(hù)手段控制圍巖大變形，而被動(dòng)支護(hù)不具有這種能力。因此，只能通過(guò)高強(qiáng)度、高剛度和高預(yù)應(yīng)力的錨桿（索）主動(dòng)支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：賀化平（1979-），男，河南永城人，河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院工程師，碩士，研究方向：技術(shù)

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