李桂臣，楊 森，孫元田，許嘉徽，李菁華

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

0 引 言

目前我國每年煤礦井下需要新掘巷道超過10 000 km，其中煤巷占比極高[1-2]。巷道在煤礦開采過程中承擔著舉足輕重的任務，巷道的穩(wěn)定對生產運輸、材料運輸、通風行人等系統(tǒng)的正常運轉具有重要意義。隨著理論知識的不斷進步，工業(yè)技術的不斷革新，巷道圍巖控制積累了豐富的經驗與成就。但是近年來，伴隨著煤炭資源開采逐步向深部轉移的趨勢，高地應力、軟巖、強采動影響、沖擊礦壓以及富水環(huán)境等復雜困難條件也越來越多，其條件特殊性、多樣性和隨機性給巷道圍巖控制帶來了嚴峻挑戰(zhàn)[3-4]。以往的支護理念與方法在應對復雜地質條件和復雜賦存條件時適應性不足等問題日益突出。圍繞復雜困難條件巷道圍巖控制，科研工作者展開了理論分析、實驗室試驗與現(xiàn)場應用等一系列研究，取得了豐富的理論成果與技術成果，不斷豐富巷道圍巖控制技術體系，為煤礦安全生產提供了堅實有力的保障。筆者總結了我國現(xiàn)階段在復雜條件下巷道圍巖控制領域所取得的相關成果，簡要介紹了近年來巷道圍巖控制方面的創(chuàng)新研究，最后展望了未來巷道圍巖控制發(fā)展的方向。

1 巷道圍巖控制復雜條件分析

康紅普院士[5]將我國復雜困難巷道劃分為9類，包括遇水軟化膨脹巷道、極破碎巷道、深部高應力巷道、大斷面巷道、強動壓巷道、煤頂/全煤巷道、沿空掘巷、沿空留巷和底鼓巷道。經過數(shù)十年發(fā)展，學者深入研究采動巷道失穩(wěn)機理，已經形成較為體系的防治方法[6]。隨著礦井煤炭資源開采強度不斷提高，極破碎巷道的工程背景逐漸從地質構造擴充到急傾斜煤層和近距離采空區(qū)，對超前加固技術提出了新的要求[7-9]。根據近十年來巷道圍巖控制原理和技術的發(fā)展，在已有分類標準基礎上進行整合和補充，將復雜條件分為富水環(huán)境、地質構造、深部高應力、軟弱圍巖、強烈動壓、軟弱夾層頂板、沖擊礦壓、大斷面、堅硬頂板和極近距離煤層遺留煤柱等。

1.1 巷道復雜條件影響因素分析

1)富水環(huán)境。頂板砂巖含水層、底板灰?guī)r含水層與鄰近采空區(qū)積水是煤礦井下常見水源類型。當圍巖裂隙導通含水層形成滲水通道，水巖作用將使圍巖出現(xiàn)力學性能劣化與承載結構失效。特別是煤系地層中泥巖、頁巖、泥質砂巖等弱膠結巖體在水巖作用下還將發(fā)生顯著的泥化、軟化、崩解現(xiàn)象[10]。同時，金屬材料支護結構在水環(huán)境中會發(fā)生顯著的性能退化現(xiàn)象，如圖1所示[11]。金屬棚架與金屬網在頂板淋水情況下出現(xiàn)表面腐蝕，導致其強度、塑性、韌性等力學性能降低。在圍巖滲水區(qū)域內，錨桿桿體-錨固劑-圍巖耦合界面強度顯著劣化，誘發(fā)頂板松脫垮冒、幫部松散煤體垮冒等事故。

圖1 淮北礦區(qū)桃園煤礦受水侵蝕頂板支護失效[11]Fig.1 Roof support failure caused by water erosion in Taoyuan Coal Mine of Huaibei Mining Area[11]

2)地質構造。在煤系地層中，斷層、褶曲、陷落柱等地質構造是常見不良地質現(xiàn)象。在地質構造區(qū)域附近，地層中通常因強構造應力而形成破碎帶。在強構造應力區(qū)域中，巷道圍巖極易產生大變形、強流變和嚴重底鼓，特別在巖體嚴重破碎區(qū)域內，通常并發(fā)網兜、漏頂、連續(xù)片幫、大范圍垮冒等碎脹變形[12]。同時，由于構造應力具有不對稱特性，支護體承載結構可能出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，引發(fā)圍巖非對稱變形與支護體破壞失效。當斷層、陷落柱以泥質填充物為主時，水巖作用下圍巖還極易發(fā)生剪切滑移破壞，引發(fā)圍巖整體承載結構的破壞[13]。

3)深部高應力。我國中東部煤礦大部分已經進入深部開采階段，迫使巷道圍巖面對深部復雜力學環(huán)境[14]。在高地應力環(huán)境作用下，煤系巖層從脆性轉為延性(圖2[15])，巷道圍巖發(fā)生長時間流變、顯著大變形、圍巖破碎松散。頂板出現(xiàn)不均勻變形、臺階下沉、大面積網兜或冒落，幫部片幫現(xiàn)象普遍[16]。同時，巷道塑性破壞區(qū)范圍進一步擴大，通常超出普通錨桿錨固長度，導致發(fā)生錨桿(索)脫落與錨固體整體擠出的現(xiàn)象[17]。特別在深部高地應力軟巖巷道中，“前掘后修、邊采邊修”的困境仍未被較好地解決，嚴重限制著采掘效率的提高。

a—巷道寬度；λ—側壓系數(shù)圖2 側壓系數(shù)與塑性區(qū)形態(tài)[15]Fig.2 Relationship between side pressure coefficient and shape of plastic zone[15]

4)軟弱圍巖。我國西北地區(qū)煤系地層以中生代侏羅白堊紀為主，巖性普遍呈現(xiàn)弱膠結特性，這導致巷道圍巖控制過程中，極易出現(xiàn)錨桿脫落及錨固力快速衰減現(xiàn)象[18]。特別是煤系地層中的泥質巖體，不僅力學性能較差，對支護強度要求高，還具有遇水膨脹、泥化、崩解、劣化圍巖承載性能等特性。同時，厚煤層分層開采過程中，托頂煤回采巷道通常具有掘進期間自穩(wěn)性差、強回采擾動下軟弱頂煤碎脹變形等特點，導致頻繁出現(xiàn)頂煤剝離、下沉形成網兜，甚至出現(xiàn)金屬網變形折斷、淺部錨桿支護失效等現(xiàn)象，如圖3所示[19]。

圖3 邢東礦-980 水平圍巖及支護體系破壞實照[19]Fig.3 Images of damage situations of -980 level surrounding rock and supporting system in Xingdong Mine[19]

5)強烈動壓。當前煤礦開采普遍面臨采掘接替緊張的問題。為提高煤炭資源的采出率，小煤柱沿空掘巷、沿空留巷得到廣泛應用。沿空巷道不僅受到自身掘進采動影響，還承受鄰近采空區(qū)“長臂梁”頂板的側向支承壓力的影響，普遍存在圍巖大變形、強流變等問題。另一方面，隨著開采強度和深度的不斷增加，回采期間沿空巷道經歷采動影響愈發(fā)強烈[20]。在多次強采動的疊加影響下，巷道圍巖破壞范圍逐漸向深部拓展，極易產生發(fā)育的蝶形塑性區(qū)[21]。巷道的變形破壞特征十分復雜，主要表現(xiàn)為頂板下沉量大并有明顯的離層現(xiàn)象、兩幫超量移近、底鼓嚴重以及非對稱變形等問題，如圖4所示[22]。

圖4 巷道非對稱變形[22]Fig.4 Asymmetric deformation of roadway[22]

6)軟弱夾層頂板。軟弱夾層頂板是一種廣泛分布于煤礦巷道中的頂板結構，具有呈層狀或帶狀、膠結能力弱等特點。相關研究將巷道頂板巖層結構類型劃分為7種，如圖5所示[23]。盡管軟弱夾層相對其他巖層厚度較薄，卻通常是影響巷道穩(wěn)定性的關鍵因素[24]。軟弱夾層頂板巷道在開挖后，圍巖變形量、變形速率、變形時間均明顯增加，給巷道圍巖安全控制帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。含高黏土軟弱夾層極易風化，遇水情況下伴有嚴重的泥化現(xiàn)象，導致軟弱夾層的物理力學性質驟降，并在水平地應力作用下促使相鄰巖層間錯動，錨桿、錨索發(fā)生剪切破壞，進而誘發(fā)支護結構失穩(wěn)失效，引發(fā)離層冒頂?shù)任：25-26]。

圖5 巷道頂板巖層結構類型[23]Fig.5 Rock structure types of roadways roof[23]

7)沖擊地壓。沖擊地壓是巷道圍巖彈性能突然釋放而將煤巖體拋入巷道的動力現(xiàn)象，具有瞬時性和強破壞性的特征。大量研究表明，沖擊地壓發(fā)生原因十分復雜，煤層厚度、開采深度、地質構造以及頂?shù)装鍘r性等均是影響沖擊地壓的主要因素[27]。有學者將沖擊地壓分為如圖6所示的4種類型[28]：煤柱壓縮型、褶曲構造型、頂板破斷型、斷層滑移型。沖擊地壓給巷道安全控制造成了嚴重影響，尤其是進入深部開采以后，沖擊災害發(fā)生的頻率快速升高，極易破壞巷道支護系統(tǒng)，甚至造成巷道的瞬間垮塌，特別是在工作面超前支承壓力影響范圍內的巷道。

σx—水平應力；σz—垂直應力圖6 沖擊地壓類型[28]Fig.6 Rockburst types[28]

8)大斷面巷道?；夭上锏罃嗝娉叽鐚S持運輸、通風等系統(tǒng)的正常運行有重要作用，近年來回采工作面設備尺寸逐漸增大的趨勢要求巷道斷面也愈來愈大，深部巷道跨度可達到6 m，巷道高度可達到4.5 m，大斷面巷道的圍巖控制難度也大幅增加。大斷面巷道在回采期間圍巖變形主要呈現(xiàn)非對稱的特性，巷道煤柱側頂板肩角破碎下沉嚴重，如圖7所示[29]。由于巷道跨度大，頂板離層明顯，底板底鼓顯著，同時底板變形破壞一般嚴重于頂板，巷道高度的增加對幫部變形的影響程度較大，且高度較大時以剪切破壞為主，巷道跨度的增加對頂板變形的影響程度較大，且跨度較大時以拉伸破壞為主[30]。

圖7 掘進期間圍巖及支護破壞實照[29]Fig.7 Damage situation of surrounding rock and supporting system during excavation period [29]

9)堅硬頂板巷道。我國山西、內蒙古、陜西及東北等地礦區(qū)厚堅硬頂板賦存普遍，該類頂板在上區(qū)段工作面開采完成后難以及時垮落，如圖8所示[31]，導致下區(qū)段工作面受到厚堅硬頂板及上覆巖層自重載荷的強烈影響，工作面水平應力和垂直應力均處于較高的集中狀態(tài)，回采巷道圍巖變形速度快、時間長。另一方面，研究表明堅硬頂板是回采巷道發(fā)生沖擊地壓的主導地質條件[32]，當厚堅硬頂板懸露至一定距離后發(fā)生破斷垮落時，易引發(fā)劇烈的礦壓顯現(xiàn)，對巷道圍巖造成嚴重破壞，甚至形成沖擊地壓。

圖8 堅硬頂板巷道[31]Fig.8 Hard roof roadway[31]

10)極近距離煤層遺留煤柱。極近距離煤層群開采過程中煤層間距小，煤層之間的相互影響不可避免。下行開采過程中，上部煤層開采完成后在采空區(qū)形成卸壓保護區(qū)但同時也對底板即下部煤層的頂板造成了不同深度的破壞，整體性和強度均大幅降低，其中對下部煤層影響最為明顯的是上部采空區(qū)遺留煤柱。遺留煤柱向底板的應力傳遞非均勻性顯著[33]，在煤柱下方應力集中程度達到最大，并向兩側驟降，下部煤層回采巷道在該類復雜應力環(huán)境下極易導致局部達到承載峰值而破壞。

1.2 巷道復雜條件分類

工程地質與開采技術是影響巷道圍巖控制的關鍵因素[1]。結合現(xiàn)場工程實踐，對巷道復雜條件分為工程地質條件和開采技術條件二大類，如圖9所示。工程地質條件的影響因素相對廣泛復雜，高應力是巷道圍巖的失穩(wěn)的最主要因素，高應力巷道包括深部高應力和構造高應力，目前千米深井的深部資源開采逐漸成為資源開發(fā)新常態(tài)，高地應力已是普遍現(xiàn)象；構造區(qū)域煤巖體不僅結構面發(fā)育，還承受斷層、褶曲等復雜地質構造產生的附加應力。軟巖巷道泛指在巖石工程活動中極易產生塑性變形破壞的一類巖體，如破碎松散圍巖、軟弱膨脹性巖體及弱膠結巖層等，這類巖石具有遇水易膨脹、低強度、軟弱、破碎、強流變等一種或多種特性。除此之外，還有堅硬頂板巷道的大面積來壓、沖擊地壓巷道的強烈動力災害及富水巷道支護體性能劣化等其他特殊工程地質條件；開采技術條件的影響因素則較為單一，但也給巷道圍巖控制增加了難度，如強采動巷道的疊加應力、大斷面巷道支護難度大以及近距離煤層采空區(qū)遺留煤柱的集中應力傳遞等困難條件。

圖9 巷道復雜條件分類Fig.9 Classification of roadway complex conditions

2 復雜條件下巷道圍巖失穩(wěn)機理

復雜條件巷道失穩(wěn)由多種內、外因共同引發(fā)，圍巖應力、圍巖性質和支護結構是巷道圍巖控制的3類基本對象，復雜條件下巷道失穩(wěn)的本質是3類對象的性能不足或性能劣化。

2.1 應力誘變機理

巷道掘進過程是巖體從三向受載轉為單向卸載的動態(tài)過程。為避免巷道表面巖體持續(xù)變形而發(fā)生破壞，井下通常借助棚架、錨桿等圍巖支護結構提供表面約束力和錨固力，盡可能使圍巖恢復到三向受力狀態(tài)。但是，在圍巖應力作用下仍會產生顯著塑性變形和持續(xù)大變形[34-35]。

2.1.1應力擴容內在機理

在理論分析與室內試驗研究過程中，學者們普遍發(fā)現(xiàn)巖石具有顯著的應力擴容現(xiàn)象、峰后塑性變形現(xiàn)象和恒載流變現(xiàn)象。榮浩宇等[36]開展了砂巖真三軸卸荷試驗，試驗中砂巖以張剪復合形式破壞，同時沿卸荷方向伴有強烈的擴容現(xiàn)象。如圖10所示，研究表明當應力超過H點時，恒載作用下巖石將發(fā)生蠕變變形，變形量平行x軸延伸直至與蠕變停止軌跡線相交；若應力超過G點，蠕變變形延伸線與峰后破壞線相交，此時意味著恒載作用下巖石將發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，持續(xù)大變形直至發(fā)生破壞。因此，泥巖、頁巖、煤體等單軸抗壓強度小于25 MPa的軟弱巖體，在較低應力環(huán)境下便會產生持續(xù)大變形，并在峰后破壞階段呈現(xiàn)出顯著塑性變形。砂巖、石灰?guī)r等堅硬巖體，不穩(wěn)定蠕變臨界應力點相對較高，持續(xù)大變形多發(fā)生在深部高應力和局部應力集中區(qū)域。同時，巖石峰后破壞特征隨應力環(huán)境增高將發(fā)生脆延性轉化，因此，在深部高應力環(huán)境中，部分中硬巖石巷道表現(xiàn)出軟巖塑性大變形力學行為。另一方面，節(jié)理等結構面會明顯弱化力學強度，在破碎圍巖巷道中，載荷作用下巖塊將沿弱結構面剪切滑移，表現(xiàn)出顯著的應力擴容行為[37]。若結構面中以泥質充填物為主，巷道圍巖還將表現(xiàn)出一定的塑性變形特征。

圖10 巖石蠕變終止軌跡線應變Fig.10 Rock creep termination trajectory

2.1.2應力變化誘發(fā)巷道失穩(wěn)

1)高地應力。在深部礦井和地質構造區(qū)域，巷道圍巖通常具有較高的原始地應力，特別是在地質構造區(qū)域，巖體中水平應力最大能達到垂直應力的2.5倍。該類巷道圍巖的大變形行為，其主要誘因是高應力環(huán)境中巖石脆延性轉變，和不穩(wěn)定蠕變臨界應力點的突破。此外，高水平應力賦予了局部圍巖較高的彈性能，在構造高應力擾動下動力災害頻發(fā)。

2)應力集中。在沿空掘巷、沿空留巷及近距離煤層開采等采動影響巷道中，采場覆巖結構破斷、回轉運動產生強烈的采動應力場和巷道原巖應力場耦合作用下，工作面形成了較高的疊加支承應力，在巷道圍巖中形成較高的應力集中現(xiàn)象[38-39]，應力集中程度達到或超出圍巖不穩(wěn)定蠕變臨界應力點時首先在巷道薄弱支護位置發(fā)生破壞，進而造成圍巖整體的顯著變形。

3)動靜載疊加。巷道在采掘、支護、失穩(wěn)過程中圍巖應力一直處于動態(tài)變化，當爆破、巖層斷裂以及構造運動等產生的動載傳播到巷道圍巖時，動載與靜載疊加達到圍巖體的極限承載能力誘發(fā)巷道圍巖動力沖擊?；趧屿o載疊加試驗，學者們分別研究了煤礦淺部發(fā)生的強動載型和煤礦深部發(fā)生的高靜載型2類沖擊地壓[40-41]。在煤礦淺部原巖應力較低，此時頂板破斷等引起的高強度應力波是誘發(fā)沖擊地壓的主導因素，而在煤礦深部表現(xiàn)為復雜高應力狀態(tài)，此時巷道圍巖在較小的動載荷疊加作用下就能達到極限應力狀態(tài)從而誘發(fā)強烈的動力災害。

2.2 圍巖性質劣化誘變機理

2.2.1圍巖破碎松散誘發(fā)巷道失穩(wěn)

破碎松散圍巖具有完整性差、裂隙發(fā)育的特點，通常位于地質構造區(qū)域的巷道和采動巷道。在強烈的構造擠壓作用下，構造區(qū)域形成破碎帶，巖體結構面發(fā)育。同時，經歷了采掘活動的工作面如沿空掘巷、沿空留巷和近距離上采空區(qū)底板等，巷道圍巖多以極破碎巖體為主。該類復雜條件下圍巖破碎巖體沿結構面的剪切滑移和擴容導致巷道塑性大變形。

2.2.2軟弱膨脹巖體誘發(fā)巷道失穩(wěn)

干燥狀態(tài)下的軟弱膨脹巖體一般強度高、穩(wěn)定性強，不會對工程安全構成威脅，但是經過開挖后的軟弱膨脹巖體，加上水的侵蝕作用，巷道圍巖的不穩(wěn)定性會隨之加劇。采動作用下巷道圍巖通常有大量發(fā)育裂隙，在富水環(huán)境中誘發(fā)圍巖滲水、頂板淋水等不良現(xiàn)象。特別我國西南地區(qū)礦井由于地質條件特殊，存在涌水量大、涌水時間長、疏水困難問題[13]。

滲水裂隙導通后圍巖泥化、軟化膨脹變形明顯。該類巷道的遇水軟化膨脹失穩(wěn)行為，主要誘因是水化學環(huán)境中黏土礦物的多尺度物理化學反應。筆者[42]采用物理模擬材料制備泥巖試樣，從宏細觀角度分析黏土礦物含量與泥巖強度、彈性模量等力學參數(shù)的關系。相關研究表明，蒙脫石與伊利石等黏土礦物晶胞具有疊層結構，分子間作用力下水分子將進入疊層內部，促使晶胞在層疊方向產生膨脹變形[43]。另一方面，由于黏土礦物晶胞斷面、端面和類質同象取代，黏土顆粒(粒徑<2 μm)通常對外表現(xiàn)出負電性，并在水環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的膠體特性[44]。研究表明，水分子作用下黏土顆粒表面將形成擴散雙電層，促使黏土顆粒之間相互排斥遠離。因此，黏土礦物在晶胞尺度和顆粒尺度上的物理化學行為，是導致富黏土巷道在富水環(huán)境產生顯著軟化膨脹的主要原因。

2.2.3弱膠結巖層誘發(fā)巷道失穩(wěn)

在煤層開采過程中頂板軟弱夾層是常見的弱膠結巖層，其通常具有強度低、弱膠結、節(jié)理發(fā)育和風化顯著等特點，包括富黏土碎屑、糜棱巖和薄層軟弱巖石。軟弱夾層頂板巷道失穩(wěn)誘因主要與夾層的低抗剪強度和強蠕變特征有關。筆者基于層次分析法研究了影響軟弱夾層頂板巷道安全性的10個因素，結果表明軟弱夾層層位是此類巷道穩(wěn)定性的關鍵影響因素。根據錨桿錨固基巖與軟弱夾層層位關系，軟弱夾層頂板巷道失穩(wěn)機理一般劃分為2類。

1)錨桿剪切破壞。當軟弱夾層處于錨固范圍內，頂板錨桿通常發(fā)生剪切破壞，導致頂板支護結構失效。其主要機理是水平應力作用下，低抗剪強度軟弱夾層段產生較大變形，導致錨桿桿體承受巖層水平錯動力，最終頂板錨桿剪切破壞誘發(fā)頂板支護失效。

2)頂板松脫垮冒。當?shù)刭|勘探不足，導致錨桿錨固段位于軟弱夾層時，通常出現(xiàn)錨固力不足或失效現(xiàn)象。在較高水平應力作用下，軟弱巖層松動膨脹導致錨桿預緊力喪失，嚴重時軟弱巖層與錨固體將同步彎曲下沉，導致頂板發(fā)生松脫型垮冒，具體如圖11所示[45]。當軟弱夾層位于錨桿錨固范圍外時，支護結構無法約束軟弱夾層變形。在水平應力作用下，軟弱夾層可能產生明顯離層下沉，同樣可能誘發(fā)頂板大范圍的離層垮冒。

圖11 軟夾層頂板松脫垮冒[45]Fig.11 Loose and straddle caving of soft interlayer roof[45]

2.3 支護體性能弱化誘變機理

錨桿安裝過程中淋水不僅會沖刷固化劑，還會混入樹脂膠泥中劣化錨固劑黏結力和固化強度，這導致疏水困難巷道中錨桿安裝困難，錨桿安裝后錨固力通常也無法達到核算標準。筆者[46]建立了“三介質-兩界面”模型，如圖12所示，揭示了泥巖與錨固劑界面穩(wěn)定性遇水軟化機理，指出泥巖與錨固劑界面的剪應力與含水率呈負相關。

圖12 錨固體“三介質-兩界面”模型[46]Fig.12 Anchor solid “three media-two interface” model[46]

鉆孔淋水對已安裝錨桿同樣具有腐蝕性[47]。研究表明，當鉆孔淋水量小于128 mL/min時，錨桿錨固力保持不變；當鉆孔淋水量大于583 mL/min時，錨固力將下降35%以上[48]。如圖13所示，筆者在貴州礦井現(xiàn)場實踐中發(fā)現(xiàn)，金屬支護體表面普遍腐蝕。有學者在實踐中發(fā)現(xiàn)嚴重腐蝕情況下4.0 mm金屬網有效線徑僅余2.0 mm左右，對力學性能產生顯著影響。

圖13 頂板支護情況Fig.13 Roof support

3 復雜條件下巷道圍巖控制技術

3.1 改善巷道圍巖應力環(huán)境

隨著煤礦井下開采深度、開采強度以及開采難度的不斷增加，多種應力疊加劣化了巷道圍巖應力場，巷道圍巖內部形成了復雜的高應力環(huán)境，并誘發(fā)巷道圍巖大變形和沖擊地壓[49-50]。為預防和應對復雜高應力巷道的變形破壞問題，眾多學者開展了優(yōu)化巷道圍巖應力環(huán)境的研究，提出包括合理布置巷道、鉆孔卸壓、切頂卸壓等技術，其中，人工主動卸壓技術在近年來得到成熟發(fā)展。

3.1.1鉆孔卸壓技術

鉆孔卸壓是在復雜高應力區(qū)的巷道圍巖中進行鉆孔，在應力作用下鉆孔受壓變形甚至壓塌，并在鉆孔周邊產生小范圍的破碎區(qū)。多個鉆孔共同作用下在巷幫形成大范圍的破碎帶，該范圍內的圍巖彈性能得到釋放，承載能力降低，應力向煤層深部轉移，如圖14所示。

圖14 卸壓鉆孔對煤體應力分布的影響Fig.14 Influence of pressure relief drilling on stress distribution of coal

王愛文等[51]從鉆孔煤樣在單軸抗壓試驗中的能量損失角度進行研究，結果表明，煤巖體原始的積聚能量和破壞時耗散的能量都在鉆孔卸壓后明顯降低。朱斯陶等[52]提出了掘進工作面布置斜向鉆孔的卸壓方式，有效消除了巨厚煤層掘進工作面的沖擊隱患。

卸壓鉆孔參數(shù)顯著影響著卸壓效果，是鉆孔卸壓技術的關鍵因素，良好的卸壓能力是應對井下復雜高應力環(huán)境的基本要求。此外，合理的鉆孔卸壓參數(shù)在改善巷道圍巖應力場的同時，也能夠避免巷道產生大變形，蓋德成等[53]運用數(shù)值模擬研究了不同強度煤體與卸壓鉆孔參數(shù)之間的關系。圍巖應力集中轉移和巷道變形量減少是鉆孔卸壓最直觀的技術效果。王猛等[54]通過研究不同長度、不同直徑的鉆孔及其布置方式對卸壓效果的影響機制，總結了3類卸壓效果，并相應給出了鉆孔參數(shù)的設計方法。

3.1.2切頂卸壓技術

切頂卸壓是將煤層上覆頂板以回采巷道為界切斷，采空區(qū)頂板受壓后垮落。采空區(qū)覆巖自重載荷傳遞路徑發(fā)生改變，不再影響巷道與下區(qū)段工作面回采，實現(xiàn)應力向深部煤巖體轉移從而降低巷道圍巖的應力集中。何滿潮院士[55]指出人為將基本頂斷裂位置轉移至采空區(qū)側，使頂板懸臂長度減小的同時發(fā)揮碎脹矸石支撐上覆巖層的作用；并提出了“圍巖結構-巷旁支護體”力學模型，構建了采礦損傷不變量的開采模型。

現(xiàn)階段聚能爆破和水力壓裂等定向預裂切頂卸壓技術已經廣泛應用。聚能爆破通過特殊結構、特殊材質的聚能管借助于炸藥爆炸產生的沖擊波形成聚能效應，產生定向張拉應力集中而使頂板按預設方向擴展裂紋并斷裂[56]。華心祝等[57]提出預裂爆破切頂是動靜載疊加作用于頂板的過程，爆破應力過大則會破壞回采巷道頂板穩(wěn)定性，爆破應力過低則不能充分達到切頂目的；并建立了動靜載疊加力學模型，提供了爆破參數(shù)優(yōu)化方法。馬新根等[58]通過現(xiàn)場試驗，進行了裝藥結構調整與頂板巖性變化的關聯(lián)性分析。

水力壓裂技術主要由封孔、高壓水壓裂、保壓注水3道工序組成。一般垂直巷道走向在巷道頂板按照一定的仰角打設鉆孔，并在鉆孔內壁預制徑向切槽；完成制孔并封孔后利用高壓水泵注水壓裂，頂板巖層產生裂紋并擴展，與其他鉆孔產生的裂紋貫通后達到切斷頂板的效果[59]。煤巖體的原始裂紋能明顯影響后期水力壓裂過程中裂紋擴展，為此，劉正和等[60]基于預制裂縫試樣開展了定向壓裂實驗室試驗，結果表明，起裂方向和起裂壓力均受預制裂縫角度的影響。趙善坤等[61]為水力壓裂防沖效果評價提供了微震事件、周期來壓步距、錨桿應力等多種參考依據。

3.2 改良圍巖物理力學性質

注漿加固技術是加固軟弱圍巖和控制淺部破碎圍巖的常用手段。注漿使巷道淺部破碎圍巖膠結，漿液充滿破碎巖體裂隙，能夠有效降低空氣、水等侵蝕作用并提高破碎巖體膠結性。近年來發(fā)展的深淺孔聯(lián)合注漿，有效將淺部圍巖和深部圍巖膠結為整體結構，提高了圍巖整體穩(wěn)定性[62]。

選擇有利于現(xiàn)場施工條件的注漿工藝與合理的注漿參數(shù)，對改善巷道圍巖物理力學性質至關重要，眾多學者對此進行了深入研究?？导t普院士團隊[63]采用微納米無機有機復合材料對千米深井軟巖巷道開展了高壓劈裂注漿試驗，SEM電鏡掃描結果顯示巷道圍巖寬度2 μm以上的裂隙均能密實固結，微觀裂隙掃描電鏡照片如圖15所示。筆者[64]提出了“兩介質-三界面”煤巖注漿加固模型，分析了顆粒配比和膠結體孔隙率對散煤注漿加固效果的影響規(guī)律，從細觀角度為注漿設計提供了依據。李文洲等[65]以裂隙煤巖體為對象，研究了其破壞特征及影響其破壞的主要因素，提出了首先分析圍巖應力結構特性，進而優(yōu)選注漿壓力，最后明確注漿過程壓力損耗的圍巖注漿改性思路，提升了現(xiàn)場圍巖改性效果。董紅娟等[66]選取多種粒徑的石灰?guī)r巖塊，并設計不同水灰比的注漿液，在不同注漿壓力的作用下制備了注漿試件，基于抗壓強度及其變形破壞特征，指出注漿體強度在一定范圍內隨粒徑和注漿壓力的增大而增大，隨水灰比的升高而降低。

圖15 微觀裂隙掃描電鏡照片[63]Fig.15 SEM micrograph of cracks[63]

注漿作為改善巷道圍巖性質的主要技術，廣泛應用于煤礦巷道圍巖控制，因此，注漿過程中需考慮其加固效果，因此，研究學者開展了大量注漿效果檢測與評價的研究。目前大量研究通過監(jiān)測聲波在巖體中的傳播速度來表征巖體的裂隙情況，CHEN等[67]分析了注漿對波速變化的影響規(guī)律，結果表明波速大小及其變化幅度是預測注漿加固效果的可靠依據。注漿效果可以用注漿后的巖體強度來表示，高紅科等[68-69]對鉆頭在鉆進注漿巖體過程中的參數(shù)進行了統(tǒng)計，結合巖體的抗壓強度，建立了兩者的關系模型，形成了高效評價注漿巖體強度的方法。

3.3 強化圍巖承載結構性能

我國煤礦主要以井工開采為主，巷道支護一直以來都是煤礦安全生產的重要保障。巷道支護從最原始的木支護發(fā)展到砌碹支護，再到型鋼支護，最后到目前使用最廣泛的錨桿支護，這一過程是被動支護向主動支護的演變。下面主要介紹巷道錨固技術，錨桿支護經過長足的發(fā)展，已經形成了錨桿支護成套技術。

多年來，眾多學者先后創(chuàng)新了錨桿支護的理論模型，為錨桿支護技術不斷革新、體系不斷完善提供了理論基礎?？导t普院士[1]提出高預應力錨桿支護理論，如圖16所示，預應力通過錨桿傳遞到圍巖，使圍巖處于壓應力狀態(tài)，有效控制頂板離層，并指出圍巖與支護是維持巷道穩(wěn)定性共同承載體，錨桿支護保障了圍巖的完整性，提高了圍巖的抗沖擊性，為沖擊地壓巷道如何合理地選擇支護形式指明了方向。張農等[70]提出了連續(xù)梁控頂理論，分析了頂板結構對煤幫的影響，如圖17所示，當連續(xù)梁形成后，幫部應力集中程度降低，頂板應力平緩分布。左建平等[71]分析了巷道頂板彎曲正應力分布規(guī)律，提出等強梁支護理念，采取以巷道中線為中心，錨桿長度和強度向兩端遞減的支護工藝。董恩遠等[72]將圍巖蠕變本構模型和錨桿錨固本構模型相結合，分析了錨固基礎作用點位對控制圍巖變形的影響規(guī)律，指出圍巖彈性區(qū)是端錨的最佳錨固點位。

圖16 預應力錨桿支護原理[1]Fig.16 Reinforcement principle for pretension rock bolting[1]

圖17 頂板結構對煤幫的影響[70]Fig.17 Influence of roof structure on coal slope[70]

在關于錨桿預應力相關研究中，李建忠等[73]運用UDEC-Trigon數(shù)值模擬方法揭示了高預緊力錨桿對節(jié)理面的保護機制，分析了錨桿支護應力場的組成形式。張劍[74]研究了錨桿預緊轉矩、錨桿安裝偏斜角度以及煤巖體強度對預應力的影響，結果表明，預應力大小與預緊轉矩和巖體強度呈正相關，與錨桿安裝偏斜角度呈負相關。劉金海等[75]結合高預緊力錨桿的受力情況及其破斷特征，揭示了高預緊力錨桿的變形破壞機理，指出拉彎復合作用是破斷的主要誘因。在錨固長度方面，靖洪文等[76]在煤礦井下開展了現(xiàn)場拉拔試驗，結果顯示在一定范圍內錨固長度越長，錨桿錨固力越大。李英明等[77]研究了全長錨固錨桿的失效過程，揭示了失效時應力分布特征，明確了錨桿長度對錨桿全長錨固工作性能的影響規(guī)律。

錨桿支護作為煤礦井下的關鍵技術，錨固質量尤為重要。張雷等[78]研制了錨固質量無損檢測裝置，檢測過程中有缺陷錨固系統(tǒng)的檢測信號相對復雜，且檢測信號的多尺度熵值較高，統(tǒng)計結果如圖18、圖19所示。董建軍等[79]研制了錨桿FBG應力傳感器，精準監(jiān)測錨桿整體的應力情況。王昱棟等[80]采用算法實時提取巷道錨桿特征，實現(xiàn)智能化監(jiān)測錨桿異常。

圖18 預處理后的檢測信號[78]Fig.18 Preprocessed detection signals[78]

圖19 預處理后的檢測信號的多尺度熵曲線[78]Fig.19 MSE curves of preprocessed detection signals[78]

3.4 巷道圍巖協(xié)同控制技術

當前我國煤礦井下開采面臨的條件十分復雜，對于深部軟巖巷道、破碎圍巖巷道、復合頂板巷道等困難巷道，需要多種圍巖控制技術協(xié)同支護，學者們?yōu)榇苏归_了深入了研究。

康紅普等[81]針對千米深井軟巖巷道提出了巷道支護-改性-卸壓聯(lián)合控制技術，采用“三高”錨桿和錨索支護、納米材料注漿改善圍巖性質、水力壓裂卸壓3種措施控制圍巖大變形，錨桿、錨索的損傷破壞情況得到顯著改善。此外，針對孜東礦工作面運輸巷松軟煤幫錨桿(索)錨固性能弱化、煤體風化后結構劣化的難題，提出了錨注噴協(xié)同控制技術，錨桿(索)施加高預應力進行主動支護，高壓錨注提高錨固場長度的同時改善煤幫結構性能，提升整體承載性能，煤幫表面噴漿隔絕空氣、降低風化影響，錨注噴一體化的圍巖控制理念最大限度地提高了錨桿(索)的主動支護能力[82]。王洪濤等[83]從錨固和注漿結合的角度研發(fā)了中空注漿錨桿，該錨桿具有高預應力、全長錨固、錨注結合等優(yōu)點，現(xiàn)場應用后圍巖變形控制效果顯著。深部巷道軟巖在高應力環(huán)境下伴有持續(xù)大變形現(xiàn)象，劉天嘯等[84]提出了“卸壓-讓壓”協(xié)同控制技術，鉆孔卸壓優(yōu)化應力環(huán)境，錨桿讓壓適應圍巖變形，減少了錨桿破斷現(xiàn)象。王成等[85]分析了泥化巷道的失穩(wěn)過程，提出以控制泥化為主體的思路，針對性地設計了新型“三高”錨桿強化支護和滯后注漿的聯(lián)合控制技術方案，同時明確了注漿時機。王琦等[86]模擬了不同煤柱、地應力、頂板強度及切頂位置等因素下切頂自成巷與沿空掘巷2種巷道圍巖應力場演化規(guī)律及圍巖控制效果，在此基礎上優(yōu)選了“強錨注+切頂”的圍巖控制方法，提高了巷道前期完整性和后期穩(wěn)定性。左健平等[87]分析了綜放工作面大斷面巷道圍巖破碎機理，從優(yōu)化巷道整體協(xié)同承載的角度出發(fā)，設計了全斷面桁架錨索協(xié)同控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過金屬網、鋼帶和托架將頂板、兩幫和底板的獨立支護耦合，相互作用，弱化巷道局部應力集中，解決了常規(guī)支護下巷道非對稱變形難題。常村煤礦回采巷道過斷層破碎帶時隨機節(jié)理型圍巖在復雜應力環(huán)境下變形嚴重，為此陳曉祥等[12]提出了錨網索輔以超前預注漿的聯(lián)合控制技術，并通過數(shù)值模擬和工業(yè)試驗驗證，有效控制了圍巖大變形。多年來，沖擊地壓一直困擾著巷道圍巖控制，吳擁政等[88]在分析沖擊地壓巷道圍巖破壞特征的基礎上從應力和能量變化2個方面闡明了圍巖沖擊破壞機制，借助“卸壓-支護-防護”3種防控手段應對深部巷道沖擊地壓，采取不同長度的壓裂孔對巷道不同范圍內的圍巖進行卸壓，選取“四高”錨桿、錨索支護，巷道內布設鋼棚、防護支架，并增加緩沖墊層共同吸收沖擊能量，保障了沖擊地壓巷道的穩(wěn)定。

4 典型泥質采動巷道滲流失穩(wěn)控制工程案例

4.1 工程地質條件

朱仙莊礦開采10號煤層，Ⅱ水平第2部刮板輸送機運輸巷位于礦井南部Ⅱ水平Ⅱ3采區(qū)下部，設計全長1 025 m，標高-676.2～-683.6 m。巷道揭露巖性主要為泥巖、砂質泥巖。巷道位置剖面如圖20所示[89]。

圖20 巷道位置剖面[89]Fig.20 Roadway location profile[89]

4.2 泥質采動巷道滲流失穩(wěn)機理

朱仙莊礦Ⅱ水平第2部刮板輸送機運輸巷前期頂板淋水嚴重，巷道變形量大，原有支護破壞。采動過程中斷層成為導水通道，破碎巖體涌入巷道，以泥巖為主體巷道圍巖遇水泥化、崩解，巷道修復和支護難度大。為實現(xiàn)此類復雜困難巷道圍巖的有效控制，筆者團隊[89]對泥質采動巷道滲流失穩(wěn)機理進行了深入研究，并首先分析了現(xiàn)場巷道失穩(wěn)關鍵誘因。

圖21 泥化巷道全斷面失穩(wěn)[89]Fig.21 Full section instability of argillaceous roadway[89]

1)圍巖破碎。巷道失穩(wěn)區(qū)域處于斷層破碎帶內，巷道圍巖裂隙發(fā)育，自身失去承載能力，同時為空氣、水源的侵蝕提供了原始通道。

2)滲流水影響。巷道底板含有承壓水且水壓較高，高壓滲流水沿著裂隙進入巷道。巷道圍巖以泥巖為主，泥巖富含伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，具有膠結強度低、塑性強等特性，遇水極易泥化膨脹，巷道圍巖的不穩(wěn)定性會隨之加劇。

3)應力疊加影響。巷道埋深較大，原巖應力高，巷道變形大，并具有強流變性；巷道穿斷層布置，巷道在構造應力作用下承受高集中靜載荷；回采期間巷道受到強采動影響，應力集中程度高。

圖22 泥質軟巖巷道滲流失穩(wěn)過程[89]Fig.22 Argillaceous soft rock roadway seepage instability process[89]

4.3 泥質采動滲流失穩(wěn)巷道綜合控制技術

圍巖滲流場、應力場、損傷場三場耦合是泥質采動巷道滲流失穩(wěn)變形的本質，對該類巷道進行修復和復后支護也應同時考慮三場之間的相互影響，形成一套完善的泥質采動滲流巷道控制體系。

1)疏水泄壓。巷道底板承壓水是水害的主要來源，因此，采取關鍵出水點開掘導水洞和分散出水點布設導水鋼管聯(lián)合疏水泄壓，降低含水層水位。

2)強化圍巖性質。① 泥巖置換。封閉大斷面巷道區(qū)域，利用混凝土置換小斷面巷道泥化嚴重區(qū)域，先小斷面后大斷面，循序漸進，直至覆蓋巷道整體，形成穩(wěn)定的墻體結構。② 分級注漿。注漿與泥巖置換按照以下原則交替進行：泥流特別嚴重不注，半泥流體少注，松散巖體多注。同時，根據區(qū)域圍巖性質及時調整注漿參數(shù)。

3)構建高強度支護體系。① 高強度支護結構。依次噴射混凝土、打設錨桿、架接鋼絲繩，該工序重復4次，最后整體噴射混凝土，形成四錨五噴的強韌封層支護結構。② 高強度底板結構。巷道兩幫底各澆筑半封閉混凝土基礎，以應對水平應力對整體支護結構的破壞，同時保留使非對稱應力和承壓水壓力的釋放空間。具體支護體系如圖23所示[89]。

圖23 朱仙莊礦運輸大巷高強度支護體系[89]Fig.23 High strength support system of transportation roadway in Zhuxianzhuang Mine[89]

5 結 論

1)總結了現(xiàn)階段我國煤礦井下巷道圍巖控制面臨的復雜困難條件，并劃分為工程地質條件和開采技術條件2類。

2)闡明了各類復雜條件下巷道圍巖的變形特征、破壞形式，揭示了不同地質條件與采掘時空關系下巷道支護的損傷破壞機理。復雜條件下巷道失穩(wěn)的本質是圍巖應力、圍巖性質和支護結構3類巷道圍巖控制對象的性能不足或性能劣化。

3)分析了巷道圍巖控制的3種基本原理：改善圍巖應力環(huán)境、改良圍巖性質與強化圍巖承載結構。從卸壓、改性、支護及協(xié)同控制4個角度詳述了當下煤礦巷道圍巖控制技術，并分別討論了其實驗室階段試驗進展與現(xiàn)場應用情況。

4)分析了泥質采動巷道滲流失穩(wěn)控制的典型工程案例，提出了高強度綜合修復與控制技術體系，為深部礦井高承壓水致斷層破碎帶大斷面巷道泥化失穩(wěn)與長期流變的圍巖狀態(tài)下的巷道控制提供范例。

6 展 望

1)卸壓與注漿工藝參數(shù)設計雖然在實驗室階段有很大進展，但不少礦井現(xiàn)場由于時間、空間制約，在合理選擇適用于本礦井生產地質條件的工藝參數(shù)方面仍受到一定限制。應在廣泛收集不同復雜條件礦井、巷道的典型卸壓與注漿工藝參數(shù)基礎上，形成智能算法，實現(xiàn)工藝參數(shù)精準、動態(tài)、實時設計。

2)當前我國煤礦巷道的掘進速度仍不理想，尤其是在復雜困難條件下采掘失衡已是常態(tài)，錨桿支護作為巷道圍巖控制的關鍵技術，應充分利用錨桿的主動支護能力，研發(fā)快速掘進與支護技術及設備。

3)原巖應力場、采動應力場與支護應力場的疊加作用為圍巖穩(wěn)定提供了應力環(huán)境，復雜的地質條件和采掘時空關系導致了原巖應力場和采動應力場的多變性，不同的支護方式、支護強度產生的支護應力場也有所不同，3種應力場的耦合機制研究還有欠缺，特別是在各類復雜條件背景下。在認清其耦合機理的基礎上，明確不同條件下的最佳支護應力場形式，進而指導支護形式的選擇。

4)煤礦開采進入深部后，開采環(huán)境愈加復雜，何滿潮院士針對高應力軟巖研發(fā)了NPR錨桿(索)新材料，為應對其他極端復雜條件巷道的圍巖控制提供了方向。當下面對不同的困難巷道，支護形式不斷創(chuàng)新，而研發(fā)適應不同支護形式的更高強度、更高剛度的新支護材料還需進一步研究。

5)選擇合理的巷道支護方式能有效降低沖擊地壓巷道的動力災害發(fā)生的頻率和強度，不同地質條件、開采方法、巷道布置決定了沖擊地壓發(fā)生的復雜多樣性，在不同地區(qū)的礦井差異化更大，而目前實踐中借助工程經驗進行防沖支護設計的較多。在明確沖擊地壓與巷道圍巖、巷道支護的相互作用關系的基礎上，建立面向各類沖擊地壓巷道的防沖支護設計方法的工作仍需繼續(xù)推動。

6)煤礦井下的開采條件具有多樣性、特殊性、隨機性等特點，在應對復雜極端條件下的巷道圍巖控制難題時，多元性、針對性、精準性地融合控制技術體系仍是未來發(fā)展趨勢。