沿空掘巷围岩控制技术的发展与展望

王 成，韩亚峰，杜泽生，武精科

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001；3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

沿空掘巷围岩控制技术的发展与展望

王 成1，韩亚峰1，杜泽生2，武精科3

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001；3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

沿空掘巷是无煤柱护巷的主要形式，在国内已得到广泛应用。但随着采深增加，沿空掘巷仍面临着围岩难以支护的技术难题。介绍了沿空掘巷发展历程，并剖析了沿空掘巷围岩稳定性控制理论，主要包括：上覆岩层活动规律、窄煤柱的稳定性、沿空掘巷顶帮强化控制技术、底鼓控制技术和注浆加固技术，总结了当前沿空掘巷围岩控制理论研究和支护技术方面存在的问题，给出了采用更为先进的研究方法和手段、多手段高强度联合支护、直接加固沿空掘巷底板、构建闭式承载结构等沿空掘巷围岩控制技术的未来发展方向和前景。

沿空掘巷；窄煤柱；高强锚杆；闭式承载结构

2012年，我国煤炭产量达到3.65Gt，井工开采量占90%以上，万吨掘进率按80～100m计算，巷道掘进工程量超过20000km，其中受采动影响的煤巷约占80%，构成了庞大的地下空间工程。近年来，由于矿井开采强度提高，开采深度迅速下延，采掘关系普遍紧张，在复杂地质条件下的沿空掘巷支护更加困难，维持沿空掘巷长时稳定成为煤巷围岩控制的主要挑战。

1 沿空掘巷的发展历程

沿空掘巷的发展历程可分为4个阶段：

第1阶段 20世纪50年代，我国已有个别矿井尝试应用沿空掘巷，可以说是沿空掘巷技术在我国发展的初级阶段。

第2阶段 20世纪60-70年代，我国已较深入研究开采引起的围岩应力分布规律，系统地阐明了巷道在采动期间的矿压显现规律，深刻揭示了巷道布置与矿压显现之间的内在联系，沿空掘巷技术得到进一步发展，部分国有重点煤矿开始应用沿空掘巷。

第3阶段 20世纪80-90年代末，沿空掘巷技术逐步完善，回采巷道布置和护巷方式发生了一次重大改革，沿空掘巷技术得到广泛应用，煤柱损失大幅度下降。

第4阶段 21世纪以来，随着锚杆支护技术的发展，沿空掘巷围岩控制技术基本成熟。在大采高、复合顶板、厚层泥岩顶板、厚煤层、“三软”煤层、薄基岩厚表土、深井综放、高地应力、大倾角等条件下的沿空掘巷都取得了良好的效果。

国外学者针对窄煤柱的载荷、煤柱的宽度以及煤柱和围岩的力学性质等方面做了大量研究[1-3]，认为留窄煤柱沿空掘巷时巷道处于裂隙发育区内，受采动影响后不能保证巷道安全，煤柱宽度应大于15m，一般不采用沿空掘巷[4]。

2 沿空掘巷围岩控制理论研究现状

2.1 沿空掘巷上覆岩层活动规律

沿空掘巷侧向顶板岩层活动规律对沿空掘巷稳定性极其重要。侯朝炯、李学华、柏建彪[5-7]等提出了“大-小结构”概念，并建立了沿空掘巷基本顶弧形三角块结构力学模型[5-6]。如图1所示，岩体A、弧形三角块B和岩块C构成了沿空掘巷上覆岩层的大结构，而巷道周围支护和围岩形成的统一承载结构为沿空巷道围岩小结构。这些都从理论上分析了沿空掘巷外部围岩的稳定条件。

图1 综放沿空掘巷与上覆岩层的结构关系

由于沿空掘巷力学环境的复杂性和工程地质条件的特殊性，工程实践中仍存在较大问题，表现为4种类型的破坏型式，分别为顶板诱导型、煤柱诱导型、实体煤帮诱导型和底板诱导型，需进一步深入研究锚杆支护机理。

2.2 沿空掘巷窄煤柱的稳定性分析

窄煤柱稳定性的主要影响因素有：煤柱的宽度、煤柱上的载荷、煤柱形状及围岩的力学特性。煤柱上的载荷取决于煤柱附近的采动状况和采深。煤柱的宽度决定了其稳定性和巷道围岩维护程度，其影响主要体现在：煤柱宽度决定了采空区边缘与巷道之间的距离、采空区侧向支承压力对巷道的影响程度和煤柱上的载荷。

国内外学者对煤柱的宽度及稳定性做了大量的科研工作[7-10]，但对煤柱宽度的合理取值没有达成共识，存在较大差异，目前煤柱宽度的合理取值从1～5m直到20～30m不等。张玉祥[11]对煤柱的宽度做了详尽的分析和评述，并提出用人工神经元网络和智能决策系统确定煤柱宽度的对策。W.盖尔[12]认为在20MPa垂直应力的作用下，采空区侧煤体塑性区的宽度为5～8m，留5m左右的窄煤柱无法保证煤柱稳定和巷道安全。

近年来，随着高强度锚杆支护系统和预应力锚索的广泛应用，支护对围岩稳定状况的影响显著增大，研究窄煤柱的稳定性，确定窄煤柱的宽度，应考虑支护的作用。柏建彪、侯朝炯[13]通过理论分析和数值计算，在探究窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、围岩力学性质及锚杆支护强度之间的相互作用关系时，提出一个新观点，即采用高强度锚杆支护的窄煤柱在沿空掘巷围岩承载结构中起着重要支撑作用，改变了以往认为窄煤柱支撑能力极小的观点。侯朝炯、勾攀峰[14-15]提出了锚杆支护围岩强度强化理论，认为：锚杆与围岩相互作用，形成锚杆-围岩的共同承载结构体，使窄煤柱残余强度显著提高，自承能力成倍增强。该理论加深了对锚杆支护机理、锚杆与围岩相互作用关系的认识，推动了困难条件下沿空掘巷锚杆支护技术进步，对进一步开展沿空掘巷锚杆支护理论研究具有指导意义。

3 沿空掘巷围岩控制技术

20世纪90年代以前，对于中厚煤层的沿空掘巷多用金属支架维护，主要使用矿用工字钢梯形支架和U型钢拱形可缩支架，这2种支护方式属被动支护，支架支护强度较低，折损严重，支护效果相对较差。随着煤矿生产集中化程度的提高，大型设备的应用，采高显著增加，巷道断面扩大，金属支架已不能满足巷道支护要求。20世纪90年代后高强度锚杆支护技术得到快速发展，使得沿空掘巷越来越依赖于锚杆支护技术，在复杂地质条件下的沿空掘巷采用锚杆支护也取得了显著效果，如迎采动工作面留窄煤柱沿空掘巷、孤岛工作面留窄煤柱沿空掘巷、综放工作面留窄煤柱沿空掘巷[16-19]。

3.1 沿空掘巷锚杆支护技术

3.1.1 顶帮强化控制技术

沿空掘巷顶底板、两帮是有机统一的整体，尤其是窄煤柱和顶板强度小、破碎，承载能力小、稳定性差，而且围岩具有大变形的特点，所以锚杆支护强度、预紧力、锚固长度及合理的锚杆支护技术对保持该类巷道围岩稳定至关重要。顶帮控制技术主要有以下4个方面：

(1)新型“三高”锚杆支护体系，即高强度、高刚度和高预紧力锚杆支护体系 在基本顶弧形三角块结构的回转、变形和下沉的过程中，支护体与围岩性的小结构要适应上覆岩层大结构的给定变形，保证锚固体具高强度、高刚度，使破碎围岩残余强度得到强化[20]，承受更大的载荷，有效控制沿空掘巷围岩变形。高预紧力可以提高破碎围岩的力学参数，改变围岩应力状态，抑制围岩离层、结构面滑动和节理裂隙的张开，防止围岩强度过早弱化，提高其承载能力，实现锚杆的主动、及时支护作用。

(2)树脂药卷全长锚固或加长锚固 由于沿空掘巷的围岩都较为破碎，采用端头锚固方式，锚固力会急剧下降，丧失支护能力，而采用全长锚固或加长锚固，可提高锚杆锚固力。为保证破碎围岩的锚杆锚固力，所以应采用全长锚固或加长锚固。

(3)小孔径锚索加强支护 如果锚固体外煤体发生较大离层，达到一定程度就会导致顶板垮落，为了防止冒顶事故，可以采用小孔径预应力锚索加强支护。

(4)加强护顶护帮能力 顶帮围岩较为破碎，为防止锚杆之间煤岩体冒落和窄煤柱片帮，应采用一些辅助支护措施，如钢筋梯子梁与金属网配合，梁和网具有较大的强度，能提供可靠的护表能力，保证围岩有较高的稳定性。

3.1.2 底鼓控制技术

沿空掘巷的两帮为软弱煤体，而且一侧为窄煤柱，直接影响到底板的稳定性。沿空掘巷底鼓的控制技术为：

(1)强化顶板支护，保持顶板整体的完整性，将顶板压力向实体煤帮深部转移，减小实体煤帮浅部载荷，从而减小底板载荷。

(2)加固巷道帮、角，尤其是实体煤侧帮、角可有效地控制回采巷道底鼓。加固实体煤侧帮、角后，提高了底板的抗拉强度，增加了实体煤侧底板的围压，使实体煤层底板不易被破坏，同时阻止了向巷道内的塑性流动[21]。

3.2 注浆加固技术

采用注浆加固沿空掘巷破碎围岩，能显著提高破碎煤岩体的残余强度，能有效抑制锚杆锚固力随围岩变形量增大急剧衰减[22]。注浆加固与锚杆支护共同作用，显著提高了顶帮破碎煤岩体的变形能力。另外，注浆加固窄煤柱也可封闭采空区，防止采空区积水软化煤岩体，降低窄煤柱强度，阻止瓦斯等有害气体涌出，避免窄煤柱漏风造成上区段采空区遗留煤炭自燃。注浆加固技术显著改善破碎围岩巷道维护的状况，现阶段使用的注浆材料主要有：化学类的丙烯酰胺类、聚氨脂类；水泥类的单液水泥浆和水泥、水玻璃双液浆；ZKD高水速凝材料。

4 存在的问题及建议

目前，我国在沿空掘巷技术的应用方面积累了丰富的经验，从薄煤层到厚煤层，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，都取得了显著的效果。但是，由于我国煤矿地质条件复杂，在沿空掘巷技术研究与应用中仍存在着不足之处，沿空掘巷围岩控制理论研究和支护技术方面还存在一定问题。

(1)基本顶弧形三角块的回转下沉及稳定状况直接决定沿空掘巷的稳定性。在工作面采动影响后，弧形三角块结构受力情况和稳定状态更为复杂，目前对基本顶弧形三角块稳定性研究较少，应对沿空掘巷上覆岩层活动规律、弧形三角块结构在采掘不同时期的运动状况和巷道围岩应力分布规律进行分析，揭示沿空掘巷在不同阶段的应力分布规律和变形特点。

(2)窄煤柱是沿空掘巷围岩结构的重要组成部分，它的稳定性直接关系到沿空掘巷的稳定。确定窄煤柱的合理宽度是保证窄煤柱稳定的关键因素，国内外学者对煤柱的合理宽度还没有统一的认识，有待于对采煤工作面沿倾斜方向矿压显现规律及沿空掘巷围岩变形、破坏规律进行深入研究。

(3)沿空掘巷围岩破碎、强度低、应力复杂，锚杆支护强度及锚固体厚度成为影响巷道围岩稳定的一个重要因素。在采动影响后，锚固体处于破碎区和塑性区内，其稳定性对锚杆支护强度及锚固体厚度更加敏感。目前，对破碎煤岩体和两个自由面的窄煤柱采用锚杆支护的锚固机理研究较少，需进一步研究。

(4)沿空掘巷底板控制难度大，普遍采用间接加固，底板钻锚注一体化加固技术如何在沿空掘巷中应用，有待进一步解决。

5 展望

井工开采中，实现科学开采模式依赖于井下可靠的巷道支护系统。针对沿空掘巷的发展现状，结合煤矿的实际情况，提出如下展望：

(1)采用更为先进的研究方法和手段，如光潜光栅监测技术，进一步深入研究上覆岩层活动规律、沿空掘巷树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性和围岩应力分布。结合具体的工程地质条件，设计合理的支护形式，并进行支护参数设计，使支护体能适应沿空掘巷围岩活动规律的要求。

(2)单一的超高强度锚杆支护向多手段高强度联合支护转化，将高强度锚杆支护体系、架棚支护、注浆加固技术相结合，充分发挥各种支护方式的优点，综合应用，满足复杂地质条件下沿空掘巷的使用。

(3)沿空掘巷底板直接加固需要在施工机具、工艺要求寻求突破，尤其是深井厚煤层沿空掘巷，积极有效加固底板，构建闭式承载结构，以推动沿空掘巷围岩控制技术更广泛地应用。

在煤矿开采条件复杂、安全高效和成本节约等诸多因素挑战下，沿空掘巷技术一定会有更加长远的发展。

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[责任编辑：施红霞]

DevelopmentandProspectofSurroundingRockControlTechnologybyDrivingRoadwayalongGob

WANG Cheng1, HAN Ya-feng1, DU Ze-sheng2, WU Jing-ke3

(1.Energy Science & Engineering School, Henan University of Science & Technology, Jiaozuo 454003, China; 2.Henan Provincial Coal Science Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China; 3.Mining Engineering School, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China)

Driving roadway along gob was main manner of protecting roadway without coal-pillar and was applied widely in China.With mining depth increasing, driving roadway along gob still faced technical difficult problem of surrounding rock supporting.This paper introduced development process of driving roadway along gob, and analyzed stability control theories of surrounding rock including overlying strata movement rule, stability of shallow coal-pillar, roof and wall reinforcement control technology, floor control technology and grunting reinforcement technology.Concluding problems in these theories and supporting technologies, more advanced surrounding rock control technologies for driving roadway along gob and future development and prospect were put forward.These technologies included combined supporting with high strength, reinforcing floor and structuring closed bearing structure.

driving roadway along gob;shallow coal-pillar; anchored bolt with high strength; closed bearing structure

2014-04-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.001

国家自然科学基金资助项目(51304065，51274088)；河南理工大学博士基金资助项目(B2012-064)。

王 成(1984-)，男，安徽含山人，博士研究生，现从事矿压理论及其控制技术、深井煤与瓦斯共采方面的研究。

王 成，韩亚峰，杜泽生，等.沿空掘巷围岩控制技术的发展与展望[J].煤矿开采，2014，19(4)：1-4.

TD325

A

1006-6225(2014)04-0001-04