1、沿空留巷围岩的失稳机理与控制技术0 引言沿空留巷技术是煤矿开采技术的一次重大技术变革。由于完全取消了区段煤柱，不仅提高了煤炭资源的回采率，降低了巷道的掘进率，而且改善了矿井的生产条件，尤其是对于开采高瓦斯煤层的矿井而言，工作面采用沿空留巷技术为“Y”型通风方式提供了必要条件，解决了高瓦斯煤层工作面“U”型通风上隅角瓦斯积聚与超限问题12，其技术优势和经济效益显著。沿空留巷技术自 20 世纪 50 年代在我国开始使用以来，各大矿区在沿空留巷技术的应用方面进行了许多的探索，积累了丰富的经验，从薄煤层到厚煤层，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，都有沿空留巷的成功经验。但是，沿空巷道的矿压显现比位于煤体内的单
2、一巷道复杂的多，除与开采深度、围岩强度、巷道跨度、支护形式等因素有关外，主要取决于采动影响。而且目前的沿空留巷技术在支护设计思路、巷内支护、巷旁支护及理论研究方面还存在一些缺陷，使得一些矿井在应用留巷技术时没有取得预期的效果，甚至留巷失败，限制了这一技术在我国更广泛地应用3。为此，本文通过分析沿空巷道围岩的破坏过程，建立老顶破断前、后的力学结构，进而根据结构的力学特点和断裂岩块的运动规律研究留巷围岩的失稳机理和控制技术，确保留巷技术的成功应用和推广。1 沿空留巷围岩失稳机理在用垮落法开采的长壁工作面采空区，顶板运动规律是自下而上形成冒落带、裂隙带、弯曲带。沿空巷道如同停采的工作面，其顶板活动规
3、律与采场有不同之处，也有相同之处。它们之间的不同点在于采场顶板随工作面推进，老顶在初次失稳后处在周期性失稳的运动状态，而沿空巷道的顶板经过运动后一直处于稳定状态；相同点在于都是处在一侧是煤体，另一侧是采空区的特殊地段，而且老顶破断后岩块形成的结构也类似4。工作面回采后，原巷道将失去采空区侧煤壁的支撑，上覆岩层发生剧烈运动，老顶发生断裂并在沿空巷道上方形成“悬臂梁”结构。由于沿空巷道处在移动盆地倾斜剖面的边缘部位，在一侧煤壁的支承条件下，老顶岩层受到拉伸与压缩作用，在煤壁上方产生裂隙，随着裂隙向下发展，“悬臂梁”老顶断裂成岩块 A 和岩块 B，并向下回转与早期断裂的岩块 C 接触。在水平挤压力作
4、用下形成一个两端分别以煤体和冒落矸石为支点的铰接岩梁结构，即“砌体梁”结构5。从沿空巷道上方老顶断裂前、后形成的“悬臂梁”和“砌体梁”结构中可以看出，沿空留巷围岩的失稳与老顶的运动直接相关，老顶断裂形成的岩块 B 的运动决定着沿空留巷围岩的失稳形式。由于岩块 B 承载着上覆岩体和自身岩体的强大载荷，支撑它两端的煤帮和岩块 C 两个支点便需要来承载这部分载荷。如果两支撑点中的任一支点支撑不了分担的载荷，岩块 B 就会发生运动。另一方面，如果两支撑点均能支撑起各自的分担载荷，而岩块 B 承担不了上覆岩体和自身的载荷，岩块 B 同样会发生运动。根据上述分析，沿空留巷围岩的失稳机理有如下四种：（1）切
5、顶失稳。沿空巷道煤帮无论是老顶断裂前呈“悬臂梁”结构，煤帮作为悬臂梁的唯一支撑点；还是断裂后呈“砌体梁”结构，作为两个支撑点中的一个，均承受着老顶及上覆岩层较为集中的支承压力，致使煤帮产生严重的变形和破裂，导致老顶沿煤帮切落，发生切顶失稳。（2）回转失稳。随着工作面的推进，老顶在从“悬臂梁”到“砌体梁”结构的形成过程中，老顶的断裂与下沉是不可抗拒的。正是由于老顶断裂形成的岩块 B 的回转和下沉，使岩块 C 成为岩块 B 的另一个支撑点。如果开采的煤层厚度大，伪顶、直接顶厚度小，煤层回采后冒落的矸石少、充填高度低，岩块C 的下沉空间便会很大，致使岩块 C 与岩块 A 之间的高差增大，岩块 B 的
6、倾斜增大，岩块 B 与岩块 C 不能铰接形成“砌体梁”结构，导致岩块 B 以煤帮侧为支撑点，发生回转失稳。（3）破断失稳（垮冒失稳）。在巷煤帮和岩块 C 两个支点能支撑起老顶的时候，如果留巷巷道宽，老顶受断层等地质构造影响不完整或者厚度小、岩层差，老顶承载不了自身及上覆岩层的载荷，将会在巷道上方断裂，产生破断失稳。由于老顶破断的同时，伪顶和直接顶也随着冒落下来，因而又称作垮冒失稳。（4）冒落失稳。巷道顶板受强烈的掘进和采动影响，特别是在超前支压和采空支压的叠加作用下，导致伪顶、直接顶发生较大的位移和变形，与老顶产生离层，在岩块 B 的回转挤压下发生冒落失稳。2 沿空留巷围岩控制技术通过研究沿空
7、巷道围岩的失稳机理可知，留巷控制技术就是要防止围岩发生切顶、回转、破断和冒落等四种形式的失稳，关键是控制顶板、加固煤帮，尽可能控制老顶不断裂、不切落、不回转，保持“悬臂梁”结构或形成“简支梁”结构。因此，沿空留巷围岩的控制要选择合理的巷内支护技术，加固煤帮防止切顶，增强巷道顶板的强度防止老顶破断和伪顶、直接顶冒落；增加采空区侧支护（即巷旁支护），增加支撑点，分担煤帮和岩块 C 的支撑载荷，控制岩块 B 的回转和下沉等，将“悬臂梁”结构变成“简支梁”结构；同时，在工作面采动影响范围内选择简单、有效的巷内辅助支护，弱化采动应力的影响，防止老顶断裂和跨冒。2.1 巷内基本支护巷内基本支护主要是加固煤
8、帮和维护留巷巷道上方顶板的完整性，防止切顶和冒落失稳。同时结合动压范围内采取临时辅助加固措施，防止阶段性顶板垮冒。由于留巷巷道受力集中、采掘扰动大，造成围岩松动圈和位移量大，支护难度大，为保持沿空留巷的稳定性，降低围岩的位移量和松动圈厚度，必须从提高围岩强度和改善围岩受力状态两方面着手6。从这个支护基本点出发，工字钢梯形棚无可缩性，不能适应沿空留巷围岩大变形支护；U 型棚虽然有较大的可缩量适应围岩大变形的特点，但不能深入到围岩内部加固围岩，尤其不能改善破裂围岩的力学性能，因而也不是理想的支护形式。而锚喷、锚注、锚索、钢带等锚网组合支护体系，特别是现在的超强锚杆、锚索和高刚度螺帽、托盘等附件，具
9、备施加高强的预紧力，最大程度的挤压紧固巷道围岩，提高岩体的整体承载强度，形成具有一定强度和刚度的承载层；同时将上覆岩层的垂直应力转移到巷道两侧的深部岩层，抵抗和平衡巷道周围水平高应力对围岩的剪切作用，改善巷道周边的应力场，更好地维护煤帮和顶板的完整性和稳定性，防止顶板及下位岩层的离层、错动和局部冒顶，增强煤帮对顶板的支护强度和煤体的残余强度，抑制留巷期间巷道的强烈变形68。2.2 巷旁增加支护巷旁支护虽不能控制顶板岩层的活动趋势，但可以与岩块 C 一起或代替岩块 C 成为采空区侧的支撑点，与老顶围岩形成“简支梁”结构。而且巷旁支护如果初撑力大、支护及时，不仅可以阻止岩块 A 与岩块 B 的断裂
10、，而且能过早地分担老顶和上覆岩层的载荷，降低煤帮的负担，有效控制老顶的回转失稳，同时也有助于控制切顶失稳。因此，巷旁支护既要满足承载性能的要求，又要与快速推进的工作面相适应。目前，我国应用的巷旁支护形式主要有木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块、锚索和巷旁充填带等。其中，木垛、密集支柱、矸石带、砌块等是被动的支护，提供不了主动承载能力，只有当老顶断裂的岩块回转下沉后，方可起到支撑作用，适用于顶板岩性好、老顶厚的薄及中厚煤层。锚索支护施工简单、成本低，只适用于老顶上方有一层比老顶更厚的硬岩层，且锚索长度能将老顶悬吊在这层硬岩层上。密集液压点柱，施工简单，但是高围压条件下支柱容易被压死，难以回收，导
11、致成本增加，而且锚索和支柱必须配合砌筑矸石带、砌块等支护，防止向采空区漏风。巷旁充填技术承载能力大，且能有效封闭采空区，但需要建立一套复杂的充填系统，工艺相对比较复杂。随着充填设备的更新升级和工艺的优化改进，很多矿区都在探索和建立快速充填系统，推动着巷旁充填技术的推广应用。如淮南矿区建立的快速留巷巷旁充填工艺系统机械化程度高，实现了拌料、上料、运料、支模一体化，充填能力可达 15m3/h，保证了沿空留巷巷旁充填墙体紧随工作面及时快速构筑 9。2.3 巷内辅助支护沿空留巷从开始到留巷将经受掘进和开采动压的影响，特别是煤层开采时动压影响，产生的支承压力特别集中、特别大，仅靠巷内锚杆组合支护难以控制
12、住老顶的断裂和垮冒。因此，必须在巷内进行辅助增强支护。考虑到强烈采动影响范围的老顶承载力大、变形量大，而工作面推过后，老顶沿推进方向发生初次或周期破断，老顶承载的压力即会减小，持续时间相对较短等特点，增强支护必须要具有很强的支撑力和很大伸缩量，来适应沿空留巷围岩的动压力学特性，达到弱化开采扰动影响，控制顶板断裂和跨冒的作用；同时要具有成本低、操作方便、省时省力等特点，动压过后能及时回收和重复利用，降低支护成本。单体液压支柱由于生产厂家多，不同支撑力、伸缩量的支柱型号多，体积小，易回收，且占用巷道空间小等优势，是一种经济、有效、实用的巷内辅助增强支护材料。3 工程实例3.1 淮北岱河矿沿空留巷技
13、术岱河矿3215 工作面埋深-364-392m，走向长 500m，倾斜长 140m，煤层厚 1.6 2.0m，平均 1.8m，煤层倾角 4.511，煤层赋存结构简单。直接顶为 5.5m 厚砂质泥岩，老顶为 3.5m 厚中细砂岩，底板为厚度 0.22 m 的灰黑色砂质泥岩、泥岩或四煤。工作面机巷采用沿空留巷技术，断面形状为斜梯形，掘进时宽 3.6 m，中高 2.1 m，留巷后宽 3.2m。（1）支护方案巷内支护采用 20mm2000mm 高强螺纹钢锚杆，配 16mm 梯形钢梁和金属网，顶板和帮部锚杆间排距分别为 800mm900mm 和 600mm900mm。顶部每 3 排锚杆施工 1 排锚索，
14、每排 2 根，锚索直径为 17.8mm，长 6.5m，配 0.9m 长 14#槽钢带。巷道采空区边缘架设单排工字钢，间距为 0.45m，支柱之间挂笆片，用于支护、切顶和挡矸。同时在工字钢支柱靠采空区侧砌筑 1m 宽的矸石带。在回采过程中，超前工作面 10m 范围内打双排液压支柱，1040m 范围内打单排液压支柱，滞后工作面 60m 范围内始终保持一排临时液压支柱。支柱沿走向间距为 1m，顶端用木楔与顶板打紧，下部穿200mm300mm150mm 的木鞋，初撑力不低于 50kN/柱。（2）支护效果留巷期间在巷道内布置 3 个观测断面，间距为 30m，采用双十字布点法。观测结果表明，留巷巷道围岩变
15、形一般在工作面推进后 5266m、4050d 趋于稳定。顶板最大下沉量 110mm，两帮移近量 400650mm，底鼓量 420450mm，经卧底刷帮后，能够满足作为下一阶段风巷的使用。3.2 淮南潘一矿沿空留巷技术潘一矿 1622(1)工作面走向长 895m，倾斜宽 126171m。煤厚 1.01.7m，平均煤厚 1.5m，卧底采煤，保证采高不低于 1.8 m。直接顶以粉砂岩为主，厚 2.97.5m，平均厚 5.2m，局部为砂质泥岩。老顶为粉细砂岩互层，厚 4.617.5m，平均厚 11.0m。底板为砂质泥岩，厚 4.7m。工作面风巷采用沿空留巷技术，断面形状为斜梯形，留巷巷宽 3.8m，中
16、高 2.4m。（1）支护方案巷道顶板采用锚索+锚杆+14#槽钢梁+金属网支护。每排布置 2 根锚索、3 根锚杆。锚索规格为17.8mm6500mm，锚杆规格为 20mm2500mm，锚杆间排距为 800mm900mm，锚索间排距1600mm900mm。帮部采用锚杆+钢带+钢筋网支护，每排布置 4 根锚杆，锚杆规格为 20mm2500mm ， 钢带规格为 2100mm200mm3mm ， 锚杆间排距为 700mm900mm。采空区侧建造宽 2m 的走向充填带，对巷旁进行充填与封闭，并利用充填墙对巷道顶板进行支护。为便于制作、输送，采用水泥、粉煤灰为主要原料加水混合后作充填材料（质量比为 3：7：
17、2）。通过做试块试验，充填体第 3 天强度为 5.8 MPa，第 7 天为 6.3 MPa，第 14 天为 7.0MPa，充填体强度能满足切顶阻力要求。在回采过程中，超前工作面20 m 进行双排单体液压支柱支护，待滞后到 2025 m 时再回撤。（2）支护效果在回风尾巷内每隔 6m 布置一个测点，连续布置 60 个观测断面，采用十字布点法观测。观测结果表明，顶底移近量达到 523mm、两帮移近量达到 352mm 时留巷围岩趋于稳定，断面收缩率控制在 30%以内，局部地段卧底巷修后能够满足回风尾巷的使用要求。4 结论（1）沿空巷道上方老顶断裂前、后将以煤帮、冒落矸石为支撑点分别形成“悬臂梁”和“
18、砌体梁”结构，结构不同部位的运动和失稳决定了沿空留巷围岩可能发生切顶、回转、破断（跨冒）和冒落等四种形式的失稳。（2）超强锚杆、锚索及配套螺母、托盘强度的锚网组合支护体系在施加高预紧力的基础上，适应沿空留巷大动压、大变形的特点，可以实现高阻让压的工作状态，起到提高围岩强度、限制围岩变形的作用。（3）巷旁支护体的材料和性能的选择至关重要，要求增阻速度快、支护阻力大，能及时切落采空区的老顶，减轻留巷巷道上方的压力，与老顶形成有利维护的“简支梁”结构。（4）采动影响范围随着工作面的推进不断前移，具有周期性、阶段性，同一地点影响的时间不长，巷内要有临时辅助的点柱等加固措施，防止阶段性顶板垮冒。（5）沿空留巷围岩控制技术是一个系统工程，必须统筹考虑来维护加固围岩。现场实践证明，巷内锚网组合支护、巷旁工字钢配砌筑矸石带或浇筑充填料，并辅以动压范围内液压点柱等联合支护技术能控制住围岩的变形与失稳，局部巷修后能满足巷道的使用要求。
