专题综述-煤矿沿空掘巷围岩控制原理与技术

专题部分煤矿沿空掘巷围岩控制原理与技术摘要：针对沿空掘巷围岩的力学环境和维护特点，在分析了巷道上覆岩层大结构和巷道围岩锚固小结构稳定性的基础上，阐述了沿空掘巷围岩大、小结构稳定的原理及沿空掘巷窄煤柱宽度的留设原则、影响因素和设计方法，为锚杆支护在沿空掘巷中的应用提供了理论依据。沿空掘巷的围岩稳定原理和技术能有效控制巷道围岩变形，为矿井的安全生产创造条件，取得良好的技术经济效益。关键词：沿空掘巷 围岩大、小结构 锚杆支护1 绪论1.1 沿 空 掘 巷 研 究 的 意 义从 20 世 纪 50 年 代 开 始 ， 国 内 外 开 展 了 主 要 包 括 沿 空 留 巷 和 沿 空 掘 巷 两 种 方 法 的 无 煤 柱护 巷 技 术 的 试 验 研 究 ， 对 无 煤 柱 护 巷 的 矿 压 显 现 规 律 及 围 岩 控 制 进 行 了 系 统 的 研 究 ， 取 得了大量的成果，推动了无煤柱护巷技术的发展。沿 空 掘 巷 是 在 第 一 个 工 作 面 采 空 区 岩 层 活 动 基 本 终 止 ， 回 采 引 起 的 应 力 重 新 分 布 趋 于稳 定 后 掘 进 ， 巷 道 位 于 应 力 降 低 区 ， 采 用 宽 度 较 小 的 煤 柱 和 合 理 的 支 护 技 术 可 以 保 证 巷 道在 掘 进 及 掘 进 后 围 岩 变 形 较 小 ， 巷 道 只 经 历 一 次 采 动 影 响 ， 因 此 沿 空 掘 巷 的 应 力 环 境 和 维护 条 件 均 优 于 沿 空 留 巷 。 提 高 煤 炭 开 采 的 采 出 率 是 关 系 到 矿 井 的 开 采 寿 命 和 技 术 发 展 方 向的 重 大 问 题 ， 在 回 采 巷 道 中 采 用 沿 空 掘 巷 显 然 是 十 分 有 利 的 。 所 以 ， 我 国 无 煤 柱 护 巷 大 部分采用沿空掘巷。目 前 国 内 在 沿 空 掘 巷 方 面 已 做 了 大 量 的 工 作 ， 初 步 形 成 了 沿 空 掘 巷 围 岩 稳 定 性 理 论 和控 制 技 术 。 这 对 促 进 我 国 无 煤 柱 开 采 的 进 一 步 发 展 ， 充 实 和 发 展 回 采 巷 道 支 护 理 论 ， 大 力推 广 锚 杆 支 护 技 术 应 用 ， 实 现 高 度 集 约 化 生 产 的 高 产 高 效 矿 井 建 设 无 疑 都 具 有 重 要 的 理 论意义和实用价值。沿空掘巷的实质是沿上工作面采空区边缘留窄煤柱（16m ）掘 进 巷 道 。 在 国 内 ， 窄煤 柱 沿 空 掘 巷 在 简 单 地 质 条 件 下 矿 区 已 得 到 较 广 泛 的 应 用 ， 其 围 岩 控 制 的 中 心 思 想 基 于“巷 道 布 置 在 采 空 区 侧 的 低 应 力 区 ， 同 时 窄 煤 柱 有 一 定 的 自 承 能 力 ”， 例 如 窄 煤 柱 宽 度 设计 主 要 依 据 采 空 区 侧 向 支 承 压 力 分 布 而 定 ， 而 围 岩 控 制 多 采 用 均 称 支 护 方 式 3-5。 在 技 术 的应 用 上 缺 乏 适 用 性 。 为 此 ， 本 文 阐 述 了 沿 空 巷 道 大 、 小 结 构 稳 定 性 原 理 与 控 制 技 术 ， 对 于 指导 沿 空 巷 道 围 岩 变 形 控 制 具 有 重 要 的 理 论 与 实 践 价 值 。1.2 沿 空 掘 巷 存 在 的 问 题高强度锚杆支护的沿空掘巷矿压显现规律显著不同于采用架棚低强度锚杆支护的沿空掘巷矿压显现规律，沿空掘巷的矿压理论和支护技术存在以下几个方面问题。（ 1） 基本顶弧形三角块是沿空掘巷的上边界，它的旋转下沉及稳定状况直接决定沿空 掘 巷 的 稳 定 性 。 基 本 顶 在 工 作 面 端 头 形 成 的 弧 形 三 角 块 结 构 ， 受 工 作 面 采 动 影 响 后 ， 弧形三角块的受力情况和稳定状态复杂，目前对基本顶弧形三角块稳定状况研究较少。（ 2） 护巷窄煤柱是沿空掘巷围岩结构的重要组成部分，窄煤柱的稳定性直接关系到沿 空 掘 巷 的 稳 定 ， 同 时 窄 煤 柱 的 宽 度 决 定 巷 道 围 岩 应 力 的 大 小 与 围 岩 完 整 性 ， 如 何 确 定 合理的窄煤柱宽度，保持窄煤柱稳定，这有待于对采煤工作面矿山压力显现规律及沿空掘巷围岩变形、破坏规律的深入研究。（ 3） 高强度锚杆支护系统和预应力锚索支护沿空掘巷，锚固体与围岩的相互作用关系 ， 锚 固 体 适 应 大 变 形 及 安 全 可 靠 、 经 济 、 合 理 确 定 沿 空 掘 巷 锚 杆 支 护 参 数 需 进 一 步 深 入研究。2 沿空掘巷围岩稳定的基本原理2.1 沿 空 掘 巷 的 围 岩 力 学 环 境沿空掘巷的围岩力学环境与其它类型的回采巷道相比，一般具有以下三个显著的特点：巷道处于应力降低区；掘巷期内围岩应力集中程度小；回采期间应力集中程度很大。2.2 沿 空 掘 巷 上 覆 岩 体 大 结 构 稳 定 性 分 析基于老顶岩层的上覆岩体大结构的稳定性是一个与上区段工作面回采、掘巷、及本区段工作面回采时载荷从稳定不稳定稳定不稳定的动态响应过程。研究和实践表明，沿空掘巷上覆岩体在巷道掘进及本工作面回采前是可以保持稳定的，但在受本工作面采动影响时，其稳定性将受到严重影响。沿空掘巷在受到本区段工作面的回采影响时，巷道与上覆岩体大结构的平面关系如图1 所示。其过程可归结为： 本 区 段 工 作 面 回 采 时 ， 采 空 区 老 顶 岩 层 产 生 新 的 破 断 ， 由 于 沿 空 掘 巷 位 于 回 采 工 作面 前 方 ， 这 种 破 断 不 会 在 沿 空 掘 巷 上 方 产 生 ， 只 是 在 回 采 工 作 面 采 空 区 内 ， 长 边 破 断 线 直接 与 原 有 关 键 块 体 沟 通 ， 也 即 新 产 生 的 岩 块 A 与 原 有 三 角 形 板 B 相 连 通 ， 如 图 1（a）所示。（a） （b）W沿空掘巷上覆岩体大结构的下沉量；M关键块体B 的回转力矩；m本工作面老顶岩层向采场回转的力矩图 1 回采时沿空掘巷与上覆岩体大结构的平面和剖面关系图 老 顶 岩 层 破 断 后 ， 块 体 A 将 分 别 在 回 转 力 矩 m 和 M 的 作 用 下 向 本 工 作 面 和 侧 向 三角 板 B 方 向 回 转 下 沉 ， 进 而 破 坏 了 工 作 面 前 方 沿 空 掘 巷 大 结 构 原 有 的 平 衡 状 态 ， 大 结 构 中的铰接岩体 A 和关键块 B 处于运动和不稳定状态，从而引发 B 块的一定下沉和在工作面前方形成较高的支承压力。 上 覆 岩 体 大 结 构 在 较 高 支 承 压 力 的 作 用 下 ， 岩 块 A 和 岩 块 B 将 有 一 定 的 回 转 下 沉 ， 如 图 1（b） 中 的 W 所示。大结构的这种运动和不稳定状态将造成沿空掘巷围岩应力的再次重新分布和集中，其影响程度远大于掘巷时围岩应力的重新分布和集中。需说明的是： 掘 巷 和 回 采 时 围 岩 应 力 的 来 源 不 同 ， 巷 道 围 岩 应 力 在 掘 巷 期 间 是 由 于 掘 进 引 起 的 围 岩 小 范围 内 的 应 力 集 中 ； 而 在 回 采 时 ， 围 岩 应 力 的 集 中 则 来 源 于 上 覆 岩 体 大 结 构 这 个 外 部 力 学 环境 的 变 化 。沿空掘巷在回采时围岩应力的强烈集中，加上巷道围岩性质的软弱性质，使沿空掘巷围岩产生大变形；同时，由于大结构造成的巷道围岩应力重新分布的不均匀性，使得巷道顶板、底板、实体煤帮及煤柱在变形方式和变形量上存在较大的差异。上覆岩体大结构从受工作面回采影响起，直到临近工作面端头的过程中，上覆岩体大结构上的载荷虽然是在不断增加，但由于各岩块间的支承条件并没有改变，故仍会保持随机的平衡状态，不同的是块体间的受力情况发生了一定的变化。因此，在工作面推过之前，大结构的稳定性不会受到根本的改变，因而只要巷道支护合理，巷道锚杆支护与围岩形成的小结构保持稳定，巷道就不会受到破坏，大结构的稳定平衡状态只有在工作面推过后才会被打破，进而发生失稳，造成巷道的彻底破坏。综上分析可以得出这样的结论：沿空掘巷在本工作面回采时，巷道上覆岩体大结构不会发生失稳垮落，但其一定程度的下沉变形是不可抗的，此时保持巷道围岩的稳定性除了适应上覆岩层的下沉外，还应加强锚杆支护和其他支护措施，使巷道围岩锚固结构保持稳定，进而保证沿空掘巷在生产期间的正常使用。2.3 沿 空 掘 巷 围 岩 锚 固 小 结 构 稳 定 性 分 析锚杆支护巷道的稳定是通过在巷道围岩中系统布置锚杆，使锚杆群、锚杆的辅助构件及其锚固范围内的围岩形成一个整体承载结构，通过该结构良好的承载性能和对其外部围岩变形的适应性，充分发挥较深部围岩的自承能力，从而保证巷道的稳定性。相对于沿空掘巷上覆岩体的大结构而言，我们把这个由巷道周围锚杆组合支护与围岩形成的统一承载结构称为沿空掘巷围岩小结构。围岩小结构作为顶板、底板、实体煤帮和煤柱帮锚固区组成的一个有机整体，其变形和破坏是各组成部分相互作用、相互影响的综合结果，由于巷道所处的应力环境呈现明显的不均衡性，故其变形与破坏也将呈现非均匀的特点。通过现场实践和理论分析研究，得出围岩小结构变形破坏的类型主要有以下几种：（ 1） 窄煤柱诱导型破坏窄 煤 柱 作 为 围 岩 小 结 构 一 个 很 重 要 的 组 成 部 分 ， 由 于 煤 柱 本 身 受 上 区 段 工 作 面 回 采 影响 很 大 ， 煤 体 的 破 坏 程 度 较 高 ， 当 它 发 生 变 形 破 坏 时 ， 将 使 巷 道 顶 板 的 承 载 基 础 作 用 降 低 ， 进而 导 致 顶 板 向 煤 柱 侧 采 空 区 下 沉 破 坏 ， 产 生 向 巷 道 内 移 近 和 向 下 沉 降 ， 从 而 造 成 巷 道 围 岩小 结 构 的 变 形 破 坏 ， 称 之 为 窄 煤 柱 诱 导 型 破 坏 。（ 2） 顶板诱导型破坏由于受巷道上覆岩体大结构的影响，顶板煤体在掘巷前变形同样很严重。同时，受上覆岩体断裂回转的影响，在巷道顶板煤体中将形成一组裂隙。在掘巷前，顶板煤体呈压缩状态，当巷道掘进后，煤体所贮存的压缩能量将释放，此时如果不能及时提供有效的支护阻力，将造成顶板煤体在其自重及上覆岩体压缩产生的变形压力作用下发生明显的下沉， 甚至冒落，随着顶板下沉量的加大，顶板上方的载荷将向窄煤柱和实体煤帮移动，结果可能会使窄煤柱载荷加大而破碎失稳，同时实体煤帮及底板的稳定状态也会变化，使巷道围岩小结构破坏，称之为顶板诱导型破坏。（ 3） 实体煤帮诱导型变形破坏实 体 煤 帮 的 围 岩 性 质 相 对 于 顶 板 及 煤 柱 要 好 一 些 ， 但 相 对 于 巷 道 的 其 它 部 位 来 说 ， 实体 煤 帮 的 应 力 集 中 程 度 是 最 大 的 ， 尤 其 是 在 巷 道 受 采 动 影 响 时 ， 垂 直 应 力 的 集 中 系 数 可 达 4 左 右 。 实 践 中 ， 实 体 煤 帮 常 常 因 过 大 的 垂 直 应 力 而 向 巷 道 内 强 烈 位 移 和 显 著 下 沉 ， 其 过 大的 移 近 量 将 使 顶 板 向 实 体 煤 侧 发 生 倾 斜 而 垮 落 ， 同 时 也 会 诱 导 靠 近 实 体 煤 帮 的 底 板 严 重 鼓起，这种小结构的变形破坏机理称为实体煤帮诱导型破坏。（ 4） 底板诱导型破坏沿空掘巷的底板一般为强度较低的软弱岩体，巷道掘巷期间，巷道的围岩应力相对处于一较低的环境中，此时，底板一定深度虽有程度较大的水平应力集中作用，但底板一般均能保持稳定。在受采动影响时，上覆岩体将引起巷道围岩应力的上升，增大的垂直应力作用在实体煤帮，并有效地传递到底板岩层中，使原来的水平应力发挥作用，从而导致巷道发生底鼓。由于底板中垂直应力集中的不均衡性，软弱的底板岩层鼓起也是不对称的。在兴隆庄矿底板条件下，靠近实体煤帮的鼓起量明显较大。从巷道支护的整体稳定性来考虑，沿空掘巷的围岩小结构无论是在围岩本身特性，还是在加固后的力学特性上，均具有明显的非均衡现象。因此，保持小结构本身的稳定是沿空掘巷稳定的根本。3 窄煤柱宽度的合理确定从煤柱的应力场、位移场分布特征来看，窄煤柱宽度影响巷道围岩应力状态、围岩位移分布，煤柱对巷道围岩变形的作用随煤柱宽度的变化而变化。回采期间窄煤柱宽度对沿空掘巷围岩变形影响为：（1）顶板下沉，（2）底鼓，（3）实体煤帮位移3.1 确 定 窄 煤 柱 合 理 宽 度 的 原 则窄煤柱是沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定沿空掘巷的稳定性， 采用锚杆支护时窄煤柱宽度应满足以下几个原则：巷道处于应力降低区。采空区侧向支撑应力为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，窄煤柱及巷道的稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区。窄煤柱内部有稳定的区域。上区段工作面侧向支撑压力作用和巷道掘进影响，窄煤柱两侧出现破碎区不可避免，如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，而且锚杆在破碎煤体中的锚固力小，锚杆支护作用降低，巷道维护困难，因此，应将锚杆锚固在上区段工作面回采产生的破碎区外的稳定煤体中。有利于巷道围岩稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎、顶板及实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。保证锚杆具有良好锚固性能。锚杆的锚固性能越好，巷道围岩整体承载能力越强。采出率高。煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小窄煤柱宽度宽度。3.2 窄 煤 柱 宽 度 计 算合理窄煤柱宽度的确定可以从理论计算、数值分析、工程实践三个方面综合考虑。下面以中等稳定围岩条件举例说明。（ 1） 理论计算法如果煤柱过窄，则开巷后煤柱易于迅速变形破裂而使锚杆安设在破碎围岩中，使锚固力减弱、锚杆的支护作用降低。通过极限平衡理论研究认为，合理的最小煤柱宽度 B 为：B x1 x2 x3 （1）式中：x 1因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，其宽度按式（2）计算 3。 k H mAC0 tan x1 ln 0 （2）2 tan 0 C0 tan 0 Px A 式中：x 2巷道窄煤柱一帮锚杆有效长度，再增加 15%的富裕系数，m； x3考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，按 0.2(x 1+x2)计算； m上下区段平巷高度，m；A侧压系数，A=/(1-)； 泊松比；0煤体的内摩擦角，； C0煤体的粘聚力，MPa； k应力集中系数， 3 左右。岩层平均容重， kN/m3； H巷道埋藏深度，m；Px对煤帮的支护阻力，如上区段采空区侧支护已拆除，可取 P x 0。对于中等稳定围岩的沿空掘巷，最小煤柱宽度 B 值一般为 3.55.0m。（ 2） 数值模拟分析法数 值 模 拟 的 优 势 在 于 能 考 虑 众 多 的 影 响 因 素 ， 并 通 过 对 比 分 析 而 得 到 一 个 较 优 的 结 果6-8。 利 用 FLAC2D3.3 对中等稳定条件下不同窄煤柱（16m ）宽度时，巷道围岩变形量进 行 了 分 析 ， 计 算 中 分 别 取 窄 煤 柱 宽 度 为 2.5m、3m 、3.5m 、4m、4.5m、5m 、5.5m 及 6m 八 个 方 案 ， 对 巷 道 在 掘 进 及 其 本 工 作 面 回 采 期 间 的 实 体 煤 帮 、 窄 煤 柱 帮 、 顶 板 下 沉 和 底 鼓量进行了研究，得到以下结果：（a）不 同 煤 柱 宽 度 在 掘 巷 期 间 的 位 移 量 （b）不 同 煤 柱 宽 度 在 采 动 影 响 时 的 位 移 量 图 2 不 同 煤 柱 宽 度 在 掘 巷 期 间 和 在 采 动 影 响 的 位 移 量 图其 中 图 2（a ） 、 （b）分 别 为 沿 空 掘 巷 在 巷 道 掘 进 期 间 和 受 本 工 作 面 采 动 影 响 时 ， 窄 煤柱 宽 度 不 同 时 实 体 煤 帮 、 窄 煤 柱 帮 、 顶 板 及 底 鼓 的 变 化 趋 势 。 由 图 2（ a） 可 见 ， 沿 空 掘 巷在巷道掘进期间，当窄煤柱的宽度不同时，巷道的围岩变形具有以下一些特点：窄煤柱宽度不同时，巷道两帮的围岩移近量均大于顶板的相对下沉量，说明在此期间，巷道的变形以两帮移近为主。 在 巷 道 的 两 帮 移 近 量 中 ， 实 体 煤 帮 的 移 近 量 和 窄 煤 柱 帮 的 移 近 量 虽 稍 有 变 化 ， 但 其量 值 相 差 不 大 。 实 体 煤 帮 的 变 化 趋 势 是 随 着 窄 煤 柱 宽 度 的 增 加 ， 移 近 量 稍 有 下 降 ， 但 当 煤柱 宽 度 大 于 4.5m 时 ， 移 近 量 又 开 始 有 一 定 的 回 升 ； 窄 煤 柱 帮 的 变 形 则 随 着 煤 柱 宽 度 的 增加变形量呈上升的趋势，但在一定煤柱宽度时，其变化趋势与实体煤帮逐渐趋于一致。 在 窄 煤 柱 范 围 内 ， 巷 道 的 顶 底 板 移 近 量 以 顶 板 下 沉 为 主 ， 底 鼓 则 相 对 要 小 一 些 。 底板 鼓 起 量 随 着 煤 柱 宽 度 的 增 加 而 开 始 增 加 ， 在 窄 煤 柱 范 围 内 ， 其 增 加 幅 度 较 小 ； 顶 板 的 下沉 量 在 巷 道 掘 进 期 间 是 顶 底 移 近 量 中 的 主 体 ， 但 随 着 窄 煤 柱 宽 度 的 增 加 ， 顶 板 的 下 沉 量 逐渐呈下降的趋势。由 图 2（ b） 可 见 ， 巷 道 受 本 工 作 面 回 采 影 响 ， 窄 煤 柱 宽 度 不 同 时 ， 巷 道 围 岩 的 变 形 具有以下一些特点：巷道在受采动影响时，巷道两帮的移近量也大于顶底板的相对下沉量，说明在本工作面回采时，巷道围岩的变形与掘巷期间类似，也是以两帮的变形为主。 在 窄 煤 柱 条 件 下 ， 巷 道 顶 底 板 的 移 近 量 与 煤 柱 的 宽 度 有 较 大 的 关 系 ， 当 煤 柱 宽 度 较小 时 ， 巷 道 的 顶 板 下 沉 量 要 大 于 底 板 的 鼓 起 量 ； 随 着 煤 柱 宽 度 的 增 加 ， 底 板 的 鼓 起 量 增 加 ， 而顶 板 的 下 沉 量 降 低 ， 底 鼓 量 大 于 顶 板 下 沉 量 ； 当 窄 煤 柱 宽 度 达 到 6m 左右时，两者的变形量逐渐趋于一致。在巷道两帮移近量中，实体煤帮的变形趋势与顶板下沉的趋势很相似，但其量值要大得多；窄煤柱的变形趋势则与底鼓的变形趋势一致，但也是在量值上要大一些。同时还应注意到，窄煤柱宽度在一定范围内时，煤柱的变形要比实体煤帮的变形量大，最终随着煤柱宽度的增大，两帮的移近量均有不同程度的上升。通过上面的分析可以得出这样的结论：在窄煤柱条件下，沿空掘巷在巷道掘进期间， 由于围岩的变形量普遍较小，窄煤柱宽度对巷道围岩变形量的影响不是很明显；但巷道在受本工作面的采动影响时，巷道围岩的变形量均较大，在此情况下，合理的窄煤柱宽度与巷道的稳定性有很大的关系。在中等稳定的围岩条件下，窄煤柱宽度在 3m 或 5m 左右较为合适。（ 3） 工程实践分析法沿空掘巷的窄煤柱设计具有很强的工程特征，故合理的窄煤柱宽度还应考虑工程中的一些要求： 锚 杆 的 安 设 基 础 。 窄 煤 柱 采 用 锚 杆 支 护 时 ， 煤 柱 的 宽 度 至 少 应 大 于 锚 杆 的 长 度 。 现有 条 件 下 ， 锚 杆 一 般 长 度 多 在 2m 左 右 ， 考 虑 到 保 留 一 定 的 宽 度 富 裕 系 数 ， 故 要 求 窄 煤 柱的 宽 度 应 不 小 于 2.5m。锚杆安设的可操作性。在留设窄煤柱条件下，锚杆支护中常会出现这样的问题，当窄煤柱破坏较为严重时，锚杆钻孔在凿出后会出现塌孔现象，致使锚杆的安装无法正常进行，故在实践中应予以考虑。（ 4） 窄煤柱的最终确定由 以 上 研 究 可 见 ， 沿 空 掘 巷 采 用 锚 杆 支 护 时 ， 窄 煤 柱 的 确 定 应 充 分 考 虑 以 下 三 个 问 题 ： 其 一 ， 对 沿 空 掘 巷 的 窄 煤 柱 来 说 ， 靠 上 区 段 工 作 面 采 空 侧 煤 体 中 存 在 一 定 范 围 的 破 碎区，当在巷道侧窄煤柱中安设锚杆时，其宽度最好应能使锚杆位于采空侧所形成的破碎区之外，这样锚杆作用在较为稳定的煤体中，可以保证锚杆可靠的锚固能力。其二，沿空掘巷的窄煤柱尺寸决定了巷道与上区段工作面回采空间的距离，从而决定了巷道受侧向支承压力的影响程度；同时，窄煤柱的尺寸也将直接关系到窄煤柱自身的承载能力。其三，窄煤柱的宽度应能保证锚杆支护在操作上可行性。综 上 研 究 后 认 为 ， 在 巷 道 围 岩 中 等 稳 定 条 件 下 ， 窄 煤 柱 较 为 合 理 的 宽 度 在 3m 或 5m左右较为合适。4 沿空掘巷围岩控制的关键技术4.1 锚 杆 的 预 紧 力锚杆预紧力对控制破碎围岩巷道变形有很重要的作用，增大锚杆预紧力减小巷道围岩变形、提高围岩稳定性的主要作用在于：（ 1） 提高围岩承载能力由前人的大量研究表明，锚杆所能提供的承载能力是有限的，对围岩应力重新分布的影响也较小。锚杆施加一定的预紧力成为主动支护，使围岩的应力状态向三向应力状态转化，有效抑制巷道围岩破裂区向深部发展，提高围岩的径向约束能力和抗剪能力，发挥围岩的自身承载能力，提高稳定性。（ 2） 实现破碎锚固围岩高阻让压破 碎 围 岩 、 大 变 形 巷 道 的 支 护 研 究 表 明 ， 支 护 阻 力 与 支 护 体 的 可 缩 让 压 应 统 一 ， 即 大变 形 巷 道 的 支 护 体 是 在 高 阻 力 的 基 础 上 可 缩 让 压 ， 强 调 一 方 面 而 忽 视 另 一 方 面 ， 必 然 导 致 巷道 围 岩 失 稳 。 在 巷 道 变 形 初 期 ， 较 大 的 预 紧 力 可 以 有 效 地 控 制 浅 部 围 岩 破 裂 发 展 ， 保 证 锚 固体 具 备 较 大 的 支 护 强 度 ， 从 而 对 外 部 围 岩 起 到 承 载 作 用 ， 实 现 锚 杆 支 护 的 高 阻 力 特 点 ； 同 时 ，锚 杆 具 有 较 大 的 延 伸 率 ， 在 高 阻 力 作 用 时 ， 可 以 伸 长 使 锚 固 体 发 生 大 变 形 而 保 持 较大的支护阻力，对外部围岩起到可缩、让压作用。事实上，提倡锚杆的高预紧力与提倡锚固体让压并没有本质上的矛盾，没有预紧力的锚固体在巷道变形初期，通过浅部围岩变形松动对锚杆产生的作用力，即锚杆产生作用之前，围岩已经发生较大变形，其整体性和承载能力已经降低，因而是低阻力的可缩让压， 难以充分利用围岩自身的承载能力。根 据 试 验 ， 考 虑 在 相 同 的 围 岩 条 件 、 锚 杆 布 置 方 式 和 基 本 支 护 参 数 不 变 时 ， 分 别 对 锚杆 施 加 不 同 的 预 紧 力 ， 研 究 了 预 紧 力 加 大 后 ， 顶 板 变 形 下 沉 情 况 。 结 果 如 图 3 所 示 。 其 中图 3（ a） 为 不 同 预 紧 力 与 掘 巷 期 间 顶 板 下 沉 量 的 关 系 ， 图 3（ b） 为 不 同 预 紧 力 与 回 采 期 间顶板下沉量的关系。（a）掘巷 时 （b）受 采 动影响 时图 3 预紧 力与 顶板 下沉 量 的关系由 图 可 见 ， 在 安 装 锚 杆 时 ， 对 锚 杆 施 加 一 定 的 预 紧 力 对 顶 板 的 下 沉 量 有 很 大 的 控 制 作用 。 由 图 3（ a） 可 见 ， 在 巷 道 掘 进 期 间 ， 及 时 安 装 锚 杆 并 施 加 一 定 的 预 紧 力 ， 即 可 显 著 地减 少 顶 板 的 下 沉 量 。 研 究 条 件 下 ， 锚 杆 安 装 时 只 要 施 加 大 约 20kN 的预紧力，顶板的下沉量 即 可 控 制 在 20mm 左 右 。 当 预 紧 力 小 于 此 值 时 ， 顶 板 在 掘 进 期 间 的 下 沉 量 急 剧 增 加 ， 而大 于 此 值 时 ， 对 控 制 顶 板 下 沉 的 作 用 又 不 是 很 明 显 。 由 图 3（ b） 可 见 ， 在 巷 道 受 本 工 作 面 采动 影 响 时 ， 安 装 时 只 要 30kN 的 预 紧 力 ， 即 可 将 顶 板 下 沉 量 控 制 在 200mm 左 右 。 同 理 ， 当 预 紧 力 小 于 此 值 时 ， 顶 板 的 下 沉 量 也 将 急 剧 增 加 ， 大 于 此 值 时 又 对 控 制 顶 板 下 沉 作 用 不是 很 明 显 。由 上 面 的 研 究 可 见 ， 锚 杆 的 预 紧 力 对 控 制 沿 空 掘 巷 的 围 岩 变 形 有 很 重 要 的 作 用 ， 主 要原因在于：使锚杆成为真正意义上的主动支护方式；提高锚杆的锚固作用效；实现巷道围岩小结构的高阻让压。考 虑 到 现 有 的 锚 杆 支 护 技 术 条 件 和 沿 空 掘 巷 围 岩 大 变 形 的 特 点 ， 认 为 锚 杆 的 预 紧 力 在2030kN 左 右 是 较 为 合 理 的 ， 此 时 既 可 以 有 效 地 保 证 巷 道 顶 板 的 稳 定 性 ， 又 在 现 场 施 工 中很容易实现。4.2 锚 杆 的 支 护 强 度通 过 研 究 发 现 ， 国 内 目 前 使 用 的 锚 杆 中 ， 大 部 分 锚 杆 支 护 强 度 普 遍 较 低 ， 均 在 0.04 0.1MPa 左 右 。 据 此 ， 利 用 数 值 计 算 的 方 法 ， 通 过 改 变 顶 板 的 锚 杆 支 护 系 统 的 参 数 ， 得 到 沿空掘巷条件下，不同锚杆支护强度时围岩的变形量，以顶板下沉量为例，整理后得到图 4所示的关系，现场条件下的预紧力为 10kN。图 4 支护 强度 与顶 板下 沉量的 关系从 图 4 中 可 以 看 出 ， 当 锚 杆 的 支 护 强 度 达 到 0.3MPa 时 ， 可 显 著 地 控 制 住 顶 板 的 下 沉变 形 。 而 当 锚 杆 的 支 护 强 度 小 于 0.1MPa 时 ， 顶 板 下 沉 量 急 剧 增 加 ， 顶 板 的 稳 定 性 将 受 到很 大 影 响 ， 而 锚 杆 支 护 强 度 在 0.3MPa 以上时，对控制顶板变形的作用不是太明显。因 此 ， 对 于 沿 空 掘 巷 的 软 弱 破 碎 煤 体 来 说 ， 锚 杆 支 护 强 度 只 要 保 证 在 0.20.3MPa 之间就是比较合理的，而这只要有可靠的支护技术就可以得到保证。4.3 合 理 加 强 支 护 技 术根 据 上 面 的 研 究 ， 认 为 沿 空 掘 巷 的 锚 杆 支 护 强 度 在 0.20.3MPa 是 比 较 合 理 的 ， 采 用高 强 度 锚 杆 体 系 和 相 应 的 支 护 技 术 从 理 论 上 可 以 实 现 ， 但 在 一 些 围 岩 状 况 恶 劣 ， 或 者 锚 杆支 护 施 工 质 量 较 差 的 情 况 下 ， 基 本 的 支 护 形 式 不 能 保 证 锚 杆 具 备 足 够 的 支 护 强 度 时 ， 可 根据 情 况 采 取 以 下 的 加 强 支 护 措 施 来 提 高 整 体 支 护 强 度 ， 弥 补 锚 杆 本 身 支 护 强 度 的 不 足 ， 从而保证围岩小结构的稳定性。（ 1） 小孔径锚索加固技术沿空掘巷实践中，常会出现以下问题： 顶板锚杆的长度不够。通常情况下，顶板锚杆均采用全长锚固方式，由于受巷道高度的限制，锚杆长度不能过大，因此锚杆的锚固范围较小，对顶板锚固区外的围岩变形起不到良好控制效果。 顶板煤体普遍较为松软破碎，锚杆的锚固性能得不到有效保证，致使锚杆的支护强度达不到 0.20.3MPa。 当巷道两帮的支护强度不够时，将使两帮向巷道内挤入，煤帮发生较大的下沉与鼓出，这将影响到顶板的稳定性。当存在以上问题时，将引起顶板锚固区外煤体的膨胀和离层，达到一定程度就会导致顶板大面积冒落，此时可采用该项技术对顶板进行加固。（ 2） 巷道的超前支护沿 空 掘 巷 受 采 动 影 响 时 ， 上 覆 岩 体 大 结 构 会 发 生 一 定 程 度 的 变 形 下 沉 ， 将 影 响 到 小 结构 的 稳 定 性 。 根 据 前 面 的 研 究 ， 该 类 巷 道 较 为 强 烈 的 影 响 在 工 作 面 前 方 40m 范 围 内 ， 剧 烈影 响 范 围 在 前 方 10m 左 右 。 此 时 ， 锚 杆 的 支 护 强 度 不 足 时 ， 难 以 控 制 围 岩 过 大 的 变 形 ， 该情 况 下 ， 应 在 超 前 工 作 面 一 定 范 围 内 采 用 适 当 的 加 强 支 护 措 施 来 控 制 围 岩 的 变 形 ， 如 布 置 梁、柱等。（ 3） 煤体的注浆加固技术对煤体的注浆加固技术可考虑在以下两种情况下使用： 小孔径锚索施工困难时。当顶板的松散围岩层厚度较大时（ 一 般 为 8m） ， 锚 索 的钻孔和安装困难，难以保证锚索良好的锚固性能时，应考虑对围岩注浆。 当围岩较破碎时，其裂隙极为发育，大大削弱了煤体本身的强度，而且降低了锚杆的锚固性能，此时可对煤体进行注浆加固，以提高巷道围岩的稳定性。5 结 论沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理为该类巷道锚杆支护的成功应用提供了理论依据。要保持巷道良好的维护状态，除了要适应上覆岩层的回转下沉外，还应合理设计护巷煤柱尺寸和锚杆支护参数，强化围岩强度，以保持小结构的稳定性。 沿 空 掘 巷 的 掘 进 对 围 岩 大 结 构 的 稳 定 性 几 乎 没 有 影 响 ， 因 而 巷 道 围 岩 的 变 形 量 不大 ； 而 在 回 采 影 响 期 间 ， 由 于 关 键 块 B 的 回 转 、 下 沉 和 运 动 ， 引 起 巷 道 围 岩 的 剧 烈 变 形 ，在 中 等 稳 定 的 围 岩 条 件 下 ， 其 变 形 量 约 是 掘 进 期 间 的 56 倍，因而保持沿空掘巷回采期间的稳定性具有十分重要的意义。 沿 空 掘 巷 围 岩 小 结 构 的 稳 定 性 取 决 于 合 理 确 定 沿 空 侧 护 巷 窄 煤 柱 的 宽 度 和 锚 杆 支护 对 围 岩 强 度 的 强 化 程 度 。 前 者 在 保 持 窄 煤 柱 的 稳 定 性 和 锚 杆 锚 固 可 靠 性 的 前 提 下 ， 使 煤柱 宽 度 尽 可 能 小 些 ； 而 后 者 取 决 于 锚 杆 支 护 预 紧 力 和 支 护 强 度 的 大 小 。 在 中 等 稳 定 围 岩 条件 下 ， 当 锚 杆 预 紧 力 达 到 20 30kN， 支 护 强 度 达 到 0.20.3MPa 时 ， 巷 道 围 岩 就 能 够 保 持稳定。参考文献1中 国 矿 业 大 学 矿 山 压 力 研 究 所 ， 阳 泉 二 矿 留 窄 煤 柱 综 放 沿 空 掘 巷 围 岩 控 制 技 术 可 行 性 论 证 报 告 ， 研究 报 告 ， 2005.112邢 台 矿 务 局 ， 澳 大 利 亚 SCT 公 司 .东 庞 煤 矿 煤 巷 锚 杆 支 护 技 术 演 示 总 结 ， 研 究 报 告 ， 19973李 学 华 ， 张 农 ， 候 朝 炯 .综 采 放 顶 煤 面 沿 空 掘 巷 合 理 位 置 确 定 J.中 国 矿 业 大 学 学 报 ， 2000（2 ） ， P186-188 4马 念 杰 ， 侯 朝 炯 . 采 准 巷 道 矿 压 理 论 及 应 用 M. 北 京 ： 煤 炭 工 业 出 版 社 ， 19955陈 炎 光 ， 陆 士 良 .中 国 煤 矿 巷 道 围 岩 控 制 M. 徐 州 ： 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ， 19946 Cundall P A. 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