摘要：随着锚杆支护技术及综采（放）技术的全面推广和应用，一方面锚杆支护在控制巷道围岩稳定的同时，却会使采空区漏风严重；另一方面工作面瓦斯涌出量急剧增大，给煤矿安全生产造成安全隐患。采用沿空留巷技术不仅可以发挥锚杆支护控制围岩稳定的优势，而且能够改变采空区的风流及瓦斯运移规律，大大提高了瓦斯难抽放、易自燃煤层工作面的单产水平。沿空留巷技术是煤矿安全开采技术的一项重大突破，具有巨大的社会经济效益与安全高效开采效益。

关键词：柔模混凝土；煤炭开采；锚杆支护；围岩稳定；沿空留巷 文献标识码：A

中图分类号：TD353 文章编号：1009-2374（2015）05-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0392

1 概述

我国是世界上产煤第一大国，目前中国的煤炭年产量占世界全部年产量的46%，煤炭为我国各行各业提供了近70%的能源；即使到2050年中国形成能源的多元结构，煤炭仍然要在我国能源结构中占40%以上的份额。我国《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》中已经确定，中国将坚持“以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”。中国煤炭工业将继续保持强劲的发展趋势，在今后相当长一段时期内，煤炭作为我国主导能源与基础能源的地位都无法替代。

随着我国煤矿巷道支护技术的发展，特别是高强度、高预应力锚杆与销索支护技术的迅速发展，使大断面回采巷道的使用成为可能。沿空留巷技术是煤矿开采发展方向之一。煤矿瓦斯治理是世界性难题，美国、英国、德国、俄罗斯等国家多次发生瓦斯爆炸事故。沿空留巷技术是煤矿开采及回釆巷道支护技术的一项重大改革，对提高煤炭资源回收率、降低巷道掘进率、缓减采掘紧张关系和实现矿井集约化生产有显著效果，并为高效抽采采动卸压煤层气、治理煤层群瓦斯提供最佳的工作空间。因此，对深井大断面沿空留巷围岩稳定控制机理进行深入研究可以为深部矿井的煤与瓦斯共采和我国煤炭资源的绿色开采奠定基础。

2 围岩活动规律分析

留巷围岩变形在采动影响下由不稳定变为稳定，具体过程如下：首先在回采工作面超前支承压力作用下，煤壁前方的留巷顶板发生变形、破坏。其次当回采工作面推进到巷道其中的某一断面时，靠近已经工作面侧失去煤帮的支撑，因此留巷顶板急剧下沉，并且急剧向采空区侧倾斜。当直接顶垮落充满采空区后，又对老顶位态进行了限制，裂隙带岩层得以支撑，使得留巷顶板变形缓和。最后采空区矸石被进一步压实后，留巷围岩变形又得以稳定。

沿空巷道顶板移动规律受采场覆岩破断规律的影响，特别是采空区侧的顶板运动规律留巷围岩的活动起到决定作用。工作面推进一定距离后，采空区老顶将形成“O-X”型破断。由于老顶的本身厚度、抗拉强度、垫层（煤层和直接顶）、载荷层厚度等因素的影响，老顶一般在煤体内断裂。理论和实测沿空留巷矿山压力研究结果表明，柔模混凝土留巷围岩结构模型的建立是基于截面单位宽度进行的。

3 沿空留巷围岩与支护刚度匹配分析

3.1 直接顶刚度分析

留巷直接顶在单轴载荷作用下，其刚度为：

3.2 巷旁支护刚度分析

混凝土支护刚度：

混凝土支护弹性模量：

3.3 留巷底板刚度研究

不同于采场底板，由于留巷底板暴露时间比较长，采动影响后裂隙非常发育，在长期通风、排水等因素作用下，围岩进一步老化。现场勘察表明，底板下部0.6m范围内，围岩受到破坏，几乎没有承载能力。满足温克尔假设条件，地基系数可近似表示为：，其中，H代表直接底的厚度，m；Es代表直接底的压缩

模量。

直接底变形模量与压缩模量之间可通过下式描述：

分析上述公式发现，可以通过降低直接底板的厚度或提高底板的强度来提高底板刚度。

4 动压巷道围岩变形规律及破裂范围

井下开采时，巷道稳定性受多种因素影响，主要包括：（1）巷道受到的应力；（2）岩石自身力学性质，包括单向抗压极限强度、应变软化程度（系数）和残余强度等；（3）支护，包括巷道掘进半径和支护阻力。破裂区范围越大，弹塑性变形诱导的巷道收敛就越小，破裂膨胀变形诱导的巷道收敛就越大。巷道矿山压力控制主要是控制围岩的破裂区范围，通过数值模拟和现场实测手段，结合理论计算结果，分析2307辅助进风巷破裂范围以及工作面矿压出现规律，并由此确定巷道矿压控制原则和控制措施。

沿空留巷顶板岩层活动剧烈，因此必须通过巷内支护手段控制围岩大变形。巷内支护一方面是主动控制顶板垮落带范围内岩层的横向剪切错动，另一方面是主动控制顶板垮落带范围内岩层的纵向碎胀变形，即将顶板垮落带范围内的岩层锚固成一个“组合刚性顶板”，提高顶板刚度，确保留巷顶板与柔模混凝土巷旁支护的刚度匹配，更好地控制围岩变形。被动支护不具有这种能力，只能通过高强度、高刚度和高预应力的锚杆（索）主动支护来实现。

基于“组合刚性顶板”理论的支护设计方法：在沿空留巷的工程实践基础上，结合理论研究，提出了沿空留巷巷内支护的“组合刚性顶板”理论。该理论的主要思想就是当锚杆（索）长度、预应力和支护强度大到一定程度时，沿空留巷垮落带范围内的顶板离层和横向剪切错动得以消除，使巷道顶板形成“组合刚性顶板”，不考虑巷旁支护的影响，该顶板本身也是一个“自承结构”。基于“组合刚性顶板”理论的三步骤巷内锚杆（索）支护设计流程为：围岩地质力学评估→锚杆（索）设计→支护参数优化。

5 结语

沿空留巷直接顶板的刚度与其整体强度和控顶距（巷道宽度和巷旁支护宽度之和）之积成正比，与直接顶板厚度成反比。柔模混凝土沿空留巷巷旁支护刚度与柔模混凝土的强度和巷旁支护宽度之积成正比，与巷旁支护高度成反比。巷道围岩随着开采深度增大或受动压影响，切向应力峰值位置向巷道围岩深部转移，而巷道周边岩体的承载能力逐渐降低。同时，开采深度增加或受动压影响，巷道围岩应力增大，导致巷道围岩破裂范围增大，从而使得巷道围岩稳定性大大降低。沿空留巷顶板岩层活动剧烈，因此必须通过巷内支护手段控制围岩大变形，而被动支护不具有这种能力。因此，只能通过高强度、高刚度和高预应力的锚杆（索）主动支护来实现。

参考文献

[1] 冯光明.超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用[D].中国矿业大学，2009.

[2] 王淮海.我国能源结构与资源利用效率分析[N].中国信息报，2006-04-26.

[3] 康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）.

[4] N G Baxter，T P Watson，B N Whittaker.A study of the application of T-H support systems in coal mine gate roadways in the UK[J].Mining Science and Technology，1990，10（2）.

作者简介：贺化平（1979-），男，河南永城人，河南理工大学能源科学与工程学院工程师，硕士，研究方向：技术

管理。

（责任编辑：陈 倩）