综采工作面沿空掘巷技术浅析设计专题报告

综采工作面沿空掘巷技术浅析摘要：沿空掘巷技术是我国煤炭行业发展高效、绿色开采体系中重要的组成部分。随着采矿技术的发展，沿空掘巷技术以其能提高采出率、改善生产接替以及提高矿井的经济技术效果等优点在煤矿开采中得到了广泛的应用。本文针对沿空掘巷技术，建立力学模型，分析沿空掘巷矿压显现及覆岩移动规律，并且提出了合理的沿空掘巷围岩控制原则。另外参考沿空掘巷成功应用的工程实例，总结了沿空掘巷围岩控制的主要技术手段，对综采工作面沿空掘巷技术进行了全面的陈述。关键词：沿空掘巷；窄煤柱；锚杆；围岩控制；支护The Analysis of Along Goaf Roadway Technology in Mechanized Mining FaceAbstract: Along goaf roadway technology is an important constitute part of developing high efficiency and green mining system in our countrys mining industry.With the development of mining technology,along goaf roadway technology has been widely applied for its advantage in improving recovery rates, ameliorating production and excavates taking over, enhancing the economic and technological effects.Aimed at along goaf roadway technology,a mechanical model was creatd based on the analysis of mine pressure and movement rules of overburden rock appeared during the application,and a reasonable surrounding rock control principle was put forward.Furthermore,by referencing the successful application engineering example of along goaf roadway technology, the main technique method in surrounding rock control was given with a fully comprehensive statement of along goaf roadway technology in mechanized mining face. Keywords: Along goaf roadway；Narrow coal pillar； rock bolt ；Rock control； support1前言综合机械化采煤工艺是用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和自移式液压支架支护顶板的采煤工艺，简称“综采”。这种采煤工艺方式使采煤过程中破煤、装煤、运煤、支护和处理采空区等主要工序全部实现了机械化，大幅度降低了劳动强度，提高了工作面单产及安全性，是目前主要发展的采煤工艺。针对这种采煤工艺，逐渐产生了很多行之有效的采煤方法，沿空掘巷就是其中一种先进的有效的采煤方法。沿空掘巷是指随着采煤工作面的开采，将工作面回采巷道废弃，而在下区段回采时完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱掘进巷道，是一种较为先进的采煤方法，不仅可以合理开发煤炭资源，改善巷道围护，减少变形量，而且有利于矿井安全生产和改善矿井的经济技术效果。实践证明，回采巷道实现沿空掘巷后，矿井采出率可提高10%20%，有的甚至提高25%30%，可明显地改善矿井采掘接续紧张状况，特别是对容易自燃发火的煤层能很大程度地消除自燃发火根源，对降低瓦斯涌出有明显作用，并能使回风流中的瓦斯含量减少，特别是在中厚煤层中，采用沿空掘巷技术具有显著的经济效益和社会效益。综采开采时，一般沿煤层底板开掘工作面回采巷道，巷道顶板和两帮全部为煤体，为全煤巷道。留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。区段平巷双巷掘进和使用，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利。但是，煤柱损失高达10%30%；且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤柱宽一般为1030m。从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；沿空留巷是在上区段工作面回采的同时构筑的，受到采空区岩层剧烈活动的影响后，无论是顶底板，还是两帮都剧烈变形，巷道维护困难；而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，采用较小的煤柱和合理的支护技术保证巷道在掘进及掘后围岩变形较小，煤柱宽度一般为47m，因此沿空掘巷的应力环境和维护条件均优于沿空留巷。在生产实践中，沿空掘巷有沿采空区边缘掘巷和留小煤柱掘巷，当留小煤柱掘巷时，小煤柱越宽，巷道就越靠近支承压力峰值。当本工作面采动，二次采动引起支承压力与初次采动引起支承压力叠加，从而使工作面前方巷道承受更大的支承压力，小煤柱产生剧烈破坏，巷道周边的塑性区、破碎区的范围进一步扩大。从顶板岩层运动角度来分析，回采巷道的变形是由于顶板岩层的挠曲运动而引起支承压力重新分布所致。开采引起采空区边缘煤体上方顶板以一定的垮落角依次向采空区延伸，悬露顶板及部分上覆岩层重量大部分转移到侧向煤体上，小部分由采空区冒落松散体承担，因此，在煤体边缘一定范围内由于上覆岩层悬臂岩梁平衡结构的保护而成为减压区，沿空掘巷应位于断裂顶板平衡岩梁保护之下的减压区，才能有效地避开侧向支承压力对巷道的影响。90年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展，取得了有益的结论，提出了沿空掘巷的理论依据，并把沿空掘巷的类型分为三类，即完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留1520m煤柱沿空掘巷。2国门内外研究现状综述沿空掘巷是煤矿井下回采巷道的一种典型形式，一般在相邻工作面推过8个月、或相应距离间隔后开始沿采空区掘进，所留煤柱较小，因此沿空掘巷在其纵向处于相邻采空区的支承压力稳定带、在其横向处于支承压力己释放的煤壁塑性区。沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷、与采空区之间留窄煤柱的沿空掘巷。煤柱宽度对巷道稳定性的影响，主要有两个方面:一是影响巷道围岩应力；二是影响巷道围岩完整性。具体可分为:沿空掘巷围岩的应力状态、沿空掘巷的矿压显现规律和窄煤柱稳定性原理。国内外在沿空掘巷煤柱研究方面做了大量工作，取得了大量成果。2.1工程实践研究综述在国内，沿空掘巷技术的发展大体可以分为以下几个阶段1:（1）20世纪50年代的萌芽阶段，有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术；（2）70年代的发展阶段，该阶段对沿空掘巷开始矿压研究，并取得了可喜的成果；（3）80年代初期的完善阶段，提出了沿空掘巷围岩变形特征；（4）90年代的成熟阶段，随着锚杆支护的大面积推广应用，极大的促进了沿空掘巷技术的发展。我国煤矿巷道布置在20世纪70年代以前主要是学习借鉴前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤柱护巷系统。但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难；厚煤层分层开采或近距离煤层群联合开采时，区段煤柱的留设造成的应力集中，不利于下分层或下层煤的开采；厚煤层分层开采时，区段煤柱的留设易于引起煤层自然发火；煤巷采用炮掘法施工，掘进速度慢，双巷布置时准备时间较长。因此，自20世纪70年代后期，我国开始试验推广跨上山沿空掘巷（或沿空留巷）技术。目前，在厚及特厚煤层分层开采中仍主要采用这种布置系统，包括充州矿区在内的许多采用综采放顶煤开采技术的矿区也主要沿用了这种系统。2.2理论研究综述前苏联乌日洛夫矿观测了距采空区不同距离内开掘的巷道变形。结果表明，采空区边界附近煤体的支承压力明显影响范围约为10m，位于支承压力最大影响带(46m)内的巷道产生失稳和较大变形。南非尔岗煤田通过对煤体边缘残余支承压力的观测，得出最大支承压力作用在煤体边缘10m处2。我国早在上个世纪70年代，为配合推广无煤柱护巷技术，先后在开滦、阳泉、平顶山等矿区的三、四十个工作面进行了沿倾斜方向煤体残余支承压力的现场观测，取得了大量的观测结果。通过现场观测结果，对于煤体边缘的力学状态可以分为:卸载松散区、塑性强化区、弹性变形区、原始应力区3。在具体的采矿与地质条件下，有些因素影响采空区边缘煤体应力分布和力学特征。根据国内25个矿区24个矿井27个工作面的观测统计分析，得出主要影响因素有：煤体硬度、直接顶岩性、煤层倾角、煤层采高及开采深度，并得出卸载带宽度、塑性带宽度和影响带宽度的计算公式。7080年代，国内许多院校和研究院所利用相似材料模型，进行了有关煤体边缘应力分布的实验研究。张顶立应用数值模拟方法，对不同煤柱宽度下巷道变形和煤柱中的应力分布进行了分析，得出了巷道变形规律及煤柱中应力分布规律。王同旭在其博士论文中建立了巷道等效不稳定系数的概念，并对煤柱宽度的影响进行了分析。尚海涛在实验室对潞安矿务局煤柱合理尺寸进行相似材料模拟试验研究，进而分析了煤柱尺寸对开采的影响。西安科技大学通过相似材料模拟实验，验证了采深采高、倾角和直接顶等力学参数对沿倾斜支承压力的影响，并得出最大应力集中系数K的关系式。重庆大学采用立体相似模拟，得出煤体边缘支承压力的近似关系，认为支承压力峰值距煤体边缘3-5m，峰值压力集中系数约为1.5，支承压力影响范围为25m左右4。1985年，西安科技大学吴绍倩教授在对采场及沿空煤柱矿压规律进行了深入研究，并结果实际矿井观测结果，系统地提出了无煤柱开采技术，并将该技术在实际矿井进行了应用和推广。刘洋在总结大量煤柱研究的基础上研究了煤柱强度和变形规律，煤柱破坏过程以及合理的煤柱宽度留设方法。李庆忠对综放面小煤柱护巷进行了分析，研究了综放条件下的窄煤柱的变形破坏机理。从理论上讲，沿空巷道布置在沿空侧的塑性变形区即应力降低区，小煤柱的宽度与巷宽之和必须小于塑性变形区的宽度才能保证下区段上顺槽是安全的。但同时也受其他条件的约束：（1）煤体本身的强度；（2）煤层埋藏深度、顶底板岩性、煤层倾角、采空区的范围、顶板管理方法、邻近煤层开采情况等因素；（3）煤柱的形状、尺寸以及煤柱的保留期限。目前在理论研究方面沿空掘巷取得了一些有益的结论:（1）窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度；（2）留窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支承作用减小，增加了巷道跨度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难；（3）窄煤柱裂隙发育、甚至破碎，不同程度存在漏风现象；（4）留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以及隔离采空区是有利的。3沿空掘巷巷道围岩变形的影响因素沿空掘巷巷道变形与破坏主要受三方面因素的影响5:一是巷道工程赋存情况，主要包括应力环境、地下水环境和温度环境；二是巷道围岩地质条件，包括煤岩体的物理力学性质、地质构造及节理、裂隙发育程度；三是巷道施工因素，包括巷道类型、巷道断面形状和尺寸、巷道开挖方式、巷道支护形式、支护参数和支护时机。3.1围岩岩性和顶底板条件结合工程实际需要，根据不规则岩块力学性质实验及指标，对围岩进行分类。在原岩应力作用下，巷道围岩变形随着围岩类型的升高，围岩强度的降低，围岩变形量增大。对于相同埋深的巷道，其所处岩层的岩性不同它的变形是不同的，在抗压强度较大的粉砂岩中，巷道围岩的变形较小，而在抗压强度较小的泥岩中，巷道围岩的变形较大。而且巷道底板变形量大于巷道的其他部位。另外，在煤柱固定支撑压力作用下底板巷道围岩变形速度也与围岩类型关系密切，随着围岩类型的增高，围岩强度的降低，围岩变形速度增大。在巷道未开挖前，岩体应力处于三向平衡状态，巷道开挖后其平衡状态被打破，造成围岩变形两帮收敛和顶底板移近。顶底板的变形破坏，其处的应力环境和动压影响固然是主要的因素，而组成顶底板的岩性也是不可忽视的内在因素，顶底板岩性的强弱同样起到一定的决定作用。3.2采深和应力环境不同岩性的巷道失稳的临界深度不同，在没有到达其临界失稳深度时，围岩处于稳定状态，反之，则处于失稳状态。随着巷道围岩强度的增加，巷道失稳的临界深度增加，巷道失稳以后岩性对围岩移近量的大小仍起作用。随采深的增加围岩强度大的巷道移近量增加的幅度，明显低于围岩强度小的巷道移近量增加的幅度。对于在同一岩层中掘进的巷道，其所处的深度不同它的变形是不同的，埋深较大的同类岩石巷道围岩变形量要大于埋深较小的巷道，随着埋深的增大，巷道围岩的变形也随之增大6。其中底板变形量在巷道围岩变形中所占比重增大。应力环境是与开采深度直接相关的影响因素。应力包括自重应力、构造应力、采动应力、温度应力等。由于开挖引起的应力重新分布造成围岩系统的变形，而地应力重新，分布是否达到危险的程度与地应力量值、方向和性质关系密切，因此，地应力不但是对围岩变形分析计算的前提，而且还是影响地下工程稳定性的基本因素之一。3.3结构面沿空巷道围岩岩体中存在大量的结构面。在高应力条件下，围岩的变形由两部分物质来承担。一是被结构面所切割的岩块，另一部分则是结构面本身。岩体中结构面网络的存在，使岩体强度受到一定程度的弱化和损伤，同时使岩体表现出强烈的各向异性特征。大量研究表明，节理岩体的破坏通常是由于岩体内的节理裂隙的滑移和扩张而形成破坏面，最终导致岩体失稳。因此，就围岩稳定性分析来说，采动条件下岩体变形特点及节理演化效应应予以高度重视。影响结构面滑移变形的主要因素有应力集中系数、倾角和结构面的力学参数。在结构面力学参数一定的情况下，采深、结构面、应力集中系数越大、采深越大、结构面倾角越大，则结构面产生滑移变形的可能性越大。当结构面倾角小于支承压力条件下岩层结构面产生滑动变形的临界角时仅产生压缩变形，不产生滑移变形。结构面倾角越小，产生滑移变形的可能性越大，这就解释了巷道底板岩层小角度结构面产生滑移变形，导致离层，产生底鼓的机制之一。3.4煤柱由于老顶的悬梁作用，上覆岩层的部分重量形成固定支撑压力长期作用在煤柱上，并且随着采深的增大，固定支撑压力的影响区范围增大。煤柱固定支撑压力在底板中传播，形成煤柱底板应力场，影响巷道的稳定，导致巷道底板变形加剧。可见，煤柱的稳定性将直接影响其支承顶板和作用底板的稳定性，从而决定整个巷道围岩的稳定可靠性。而煤柱能否得以稳定，主要取决于煤柱尺寸的大小是否合理，关键在于在保证其稳定的同时，使回采巷道避开侧向应力峰值区7。煤柱宽度对巷道稳定性的影响，主要有两个方面：一是影响巷道围岩应力；二是影响巷道围岩完整性。具体可分为：沿空掘巷围岩的应力状态、沿空掘巷的矿压显现规律和窄煤柱稳定性原理。总之，沿空掘巷巷道围岩变形的原因是采深、煤柱和岩性共同作用的结果，巷道围岩的稳定状态，以及围岩变形量的大小，主要与围岩应力和围岩岩性有关。4.沿空掘巷岩体结构及其稳定性研究4.1巷道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，一般具有以下四个显著的特点:（1）巷道处于应力降低区巷道因沿上工作面采空侧煤体的底板掘进，由于掘巷前采空侧煤体在较大范围内己产生变形或者局部破坏，造成煤体应力卸载，当采用沿空掘巷时，巷道处于应力降低区内，这种力学环境对沿空掘巷的稳定是有利的8。（2）掘巷期内围岩应力集中程度小巷道本身在应力降低区内掘进，且巷道顶部及两帮的煤体裂隙发育程度较原始状态更高，已基本呈塑性状态，故掘巷过程所引起的围岩应力的再分布相对于其它回采巷道来说，其影响并不是很明显。也即，沿空掘巷引起的应力集中程度不大，对巷道稳定性影响较小，这是沿空掘巷围岩应力场的主要特点之一。（3）回采期间应力集中程度很大沿空掘巷在掘巷影响及稳定期内，巷道围岩应力较小，巷道变形并不严重。但在本工作面回采时，采场上覆岩体结构发生变化，应力重新分布并向周围的煤岩体转移，巷道上覆煤岩体的应力产生叠加，导致巷道围岩结构的外部载荷急剧加大，巷道围岩变形量很大，一般地，工作面受采动影响时巷道的围岩变形量是巷道掘进期间的5一6倍甚至更大。因此，这类巷道在采动影响时的变形量是很难控制的，而采用锚杆支护对维持其稳定则具备更有利的条件。（4）巷道围岩松散破碎受到上一区段工作面采动影响，窄煤柱巷道附近围岩总体上处于塑性破坏状态，巷道围岩变形量大，支护困难9。4.2沿空掘巷的矿压显现4.2.1沿空掘巷的围岩应力和围岩变形沿空掘巷之前，岩层已经稳定的采空区附近，处于极限平衡状态下煤体的残余支承压力分布见图4-1中1。沿空掘巷破坏了原有平衡，在巷道边缘的煤体会出现新的破碎区、塑性区，支承压力向煤体深部移动（图4-1中2），移动距离近似等于煤柱宽度，应力场扰动不大一般经过10d左右，变形速度趋向稳定。巷道受到本区段工作面回采影响后，处于支承压力的重叠区内，围岩变形会显著增长，通常巷道的维护不太困难10。4.2.2窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间留58m的煤柱，巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向煤体内应力分布（图4-2中1）与图4-1中1完全一样。窄煤柱巷道掘进位置一般刚好处于残余的支承压力峰值下，由原来承受高压的弹性区，衍变为破碎区、弹性区；随着支承压力向煤体深处转移，煤体也向巷道方向显著位移，最终应力分布如图4-2中2所示。窄煤柱巷道不仅在掘进期间围岩强烈变形，巷道围岩一直保持较大的速度持续变形，顶板强烈下沉和地板鼓起。巷道的压力主要来自窄煤柱一侧，窄煤柱实际上已遭到严重破坏，不仅对顶板支承作用有限，而且使巷道实际跨度和悬顶距离增加。因此，窄煤柱巷道的围岩变形要比沿空巷道大一倍左右11。图4-1 沿空掘巷引起的煤邦应力重新分布1-掘巷前的应力分布；2-掘巷后的应力分布I-破碎区；II-塑性区；III-弹性应力增高部分；IV-原岩应力区图4-2 窄煤柱护巷引起的煤邦应力重新分布1-掘巷前的应力分布；2-掘巷后的应力分布I-破碎区；II-塑性区；III-弹性应力增高部分；IV-原岩应力区对于综放工作面沿空掘巷而言，由于煤层采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉并在采空区边缘发生断裂，煤体上的顶板弯曲，并以一定角度向采空区倾斜，侧向支承压力向煤体内转移，在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度的破碎区，煤柱承载作用较小，同时，在煤体边缘一定范围内形成应力降低区，为沿空掘巷创造了有利条件12。4.2.3沿空掘巷的三种方式90年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展，取得了有益的结论，提出了沿空掘巷的理论依据。根据煤层赋存情况、地质条件和所采取的技术措施不同，沿空掘巷可分为三种方式，即完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷（留小煤墙掘巷）、留1520m煤柱沿空掘巷（保留部分老巷断面掘巷方式）。在生产实践中，沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷、与采空区之间留煤柱的沿空掘巷。（1）完全沿空掘巷完全沿空掘巷就是上区段采动影响稳定之后，紧贴上区段废弃巷道，在煤层边缘的煤体内重新掘进一条巷道，如图4-3所示。由图4-4可以看出完全沿空掘巷，采空区边缘煤体是己卸载的松驰区，煤体深处是能够承载的塑性区和弹性区，所以沿空掘巷是在原先的松驰区掘进。在松驰区沿空掘巷又破坏了原来平衡状态，支承压力的垂直应力分布向煤体深部移动，一般向煤体深部移动的距离约为新掘巷道的宽度。由于应力的重新分布，巷道的顶帮会有明显的变形这种方式优点是：煤体边缘为低压区，掘进受压不大，有利于巷道的维护；紧靠上工作面采空区掘进，完全取消了上、下工作面之间的护巷煤柱，有利于提高资源回收率；煤层边缘地带经过压松和卸压，使瓦斯得到了自然释放，可减少甚至完全消除冲击地压及煤和瓦斯突出的危险，有利于掘进和生产的安全。完全沿空留巷易于维护，煤炭回收率高，适于老空积水少、老顶矿石破碎、低瓦斯的矿井。（2）留窄煤柱沿空掘巷留设窄煤柱沿空掘巷方式的特点是上区段采动影响后，巷道不紧贴上区段采空区边缘掘进而是在巷道与采空区之间留设47m的窄煤柱。留小煤柱的沿空掘巷方式用于顶板不能充分冒落，煤层有倾角，采区有积水等情况。其目的是防止顶板二次冒落对巷道影响，防止采空区向掘巷窜矸和流人采空区的积水等13。沿空掘进的主要目的是使巷道处于煤体边缘的低压区及减少煤炭资源损失。图4-3 巷道掘进位置示意图1-完全沿空掘巷；2-留窄煤柱沿空掘巷；3-留1520m掘巷留设窄小煤柱沿空掘巷技术是提高煤炭回收率的有效途径之一。而且还可以减小工人劳动强度和巷道维修费用。同时，锚网永久支护的方法比工字钢棚支护方式更加有利于维护巷道的稳定性，更加有利于减少巷道的维修费用。有的矿地质条件复杂、断层纵横交错、上区段老空积水较多，故选用留设小煤柱沿空掘巷。煤柱留设主要防止老空积水、有害气体及大块岩石窜入巷道内，在上述前提下，留设煤柱越小越好，特别是沿空掘巷需要做进尺巷时，留设小煤柱则更有必要。综放工作面完全沿空掘巷虽然掘进巷道处于最佳的受力状态，但是在实际运用中由于采空区的水和瓦斯及其冒落的研石会对巷道的正常掘进构成危险，而且也给掘进通风造成一定的影响。因此一般不采用完全沿空掘巷而采用留窄煤柱沿空掘巷14。全国绝大多数煤矿回采巷道长期以来，一直沿用留宽煤柱的方法维护。护巷煤柱宽度留设过大，导致采出率低，损失大量煤炭资源。因此，研究工作面无煤柱开采或最大限度减少护巷煤柱损失量，对提高采出率具有重要意义。但是留窄煤柱有利也有弊，主要有：留窄煤柱沿空掘巷，巷道位置处于侧向残余支承压力峰值附近，掘巷扰动了侧向支承压力分布，因而，留窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度，比沿采空区边缘不留煤柱沿空掘巷变形剧烈；留窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支承作用极小，增加了巷道跨度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难；窄煤柱裂隙发育、甚至破碎，不同程度存在漏风现象；留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以及隔离采空区是有利的。4.3沿空掘巷围岩破断的基本规律4.3.1沿空掘巷老顶破断的基本规律综放工作面自开切眼向前推进一段距离时，首先在悬露老顶的中央及两个长边形成平行的断裂线I1、I2，再在短边形成断裂线n，并与断裂线I1、I2贯通，最后老顶沿断裂线I1和I2回转且形成分块断裂线m，而形成结构块1、2。老顶在采空区中部接触研石后，运动较平缓。老顶初次破断后的平面图形近似呈椭圆状，见图4-4a。随着工作面的继续推进，顶板出现周期性垮落，依次出现断裂线I2，并绕周边断裂线n回转形成周期性顶板垮落，如图4-5b所示。又形成新的结构块，即图4-4b中的1、3结构块。沿空掘巷的直接顶板除采空区自然冒落外，必然由于结构块即2、3结构块的运动而被迫下沉。因此，结构块2、3的稳定状况直接影响沿空掘巷的稳定状况。一般来说，窄煤柱很难阻止结构块3的旋转下沉。当老顶破断下沉时，窄煤柱进入塑性屈服状态，使其适应结构块3的旋转下沉，以减小对窄煤柱的压力15。图4-4 沿空掘巷老顶破断基本形态4.3.2沿空掘巷的围岩变形破坏特征根据国内有关沿空窄煤柱巷道的应用研究，沿空窄煤柱巷道围岩变形有以下特点:（1）对于中等稳定围岩的综放沿空窄煤柱巷道，超前90m左右就出现采动影响，明显变形出现在工作面前方35m左右，分别比实体煤巷道增加近20m，巷道剧烈变形在工作面前方010m，综放面沿空巷道顶底板移近量比实体煤巷道增加510倍，两帮相对移近量增大10倍以上，回采影响期间巷道围岩移近量与掘进影响期间相比较，沿空巷道前者是后者的510倍，实体煤巷道前者是后者的1.21.5倍，实体煤巷道的顶、底板及两帮变形大体相近，而沿空巷道两帮移近量大于顶底板移近量，前者是后者的2倍左右16。（2）由于受多次采动影响，巷道围岩变形量大，并且两帮变形量大于顶底板移近量，刚性支护比较困难，一般情况下，以护为主，以支为辅。（3）由于受多次采动影响和移动性支承压力的作用，巷道矿压显现表现出一定的周期性，工作面每推进一段距离，巷道就出现一次剧烈变形，这与工作面顶板来压规律比较相似。（4）在掘进期间，巷道变形量沿空侧大于实体煤侧，而在回采期间，巷道变形量是沿空侧小于实体煤侧。沿空煤巷锚固体结构由顶板、底板、实体煤帮和煤柱帮锚固区组成一个有机整体，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。由于小煤柱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旋转、向巷道内移近和向下沉降，从而造成巷道锚固体结构的变形破坏，即为小煤柱诱导型破坏。而实体煤帮的应力集中程度是最大，回采时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下沉而垮落，从而导致巷道变形破坏。4.4巷道压缩下沉与底板鼓起之间的关系沿空掘巷底鼓与实体煤巷道底鼓有着明显差异：（1）回采期间，沿空掘巷的底鼓量比围岩相同条件下的实体煤巷道的底鼓量要大的多；（2）沿空掘巷底鼓呈现不对称性，煤柱底板的底鼓比实体煤帮的底鼓显著。这些差异是由于沿空掘巷的应力分布的特殊性造成的，上区段工作面回采，在本区段采空区侧煤壁产生侧向支承压力，工作面的支承压力在工作面前方与侧向支承压力叠加在实体煤侧形成高应力所示。由此可见，对沿空掘巷的侧向支承压力和超前支承压力的研究对揭示底鼓的机理是十分重要的17。顶板下沉和巷帮压缩下沉，引起巷道两帮围岩向巷内移动，两帮煤体将部分嵌入底板，因而加剧巷道底鼓的发生。在巷道两帮煤体向巷内移动的同时，形成新的水平应力，也称为二次水平应力，二次水平应力主要是由于采动作用引起的，由于二次水平应力的作用，使底板受拉应力作用的岩层加剧产生较大的结构效应，从而使巷道底板产生较大的压曲效应。底板岩体中的破裂面形态是巷道底鼓产生的主要因素，决定了巷道底鼓发生时所呈现的形式和底鼓量的大小。底板岩层的破裂面为沿岩体原生结构面形成的破裂面，主要是由于采动超前和侧向支承压力叠加作用使底板岩石破坏而产生的新生破裂面。不同的底板岩体结构和应力状态将产生不同形态的破裂面，层状的底板岩层，破裂面可沿层面发育，薄层状岩体可能发生折断，形成挠曲褶皱性底板；由于底板岩层既有水平层理又有大量的垂直节理，因而破裂面既可沿层面发育，又可沿垂直节理发育，从而导致底板岩体呈现破碎状态；加之巷道底板由于水的浸入，这样就加速各种破裂面的形成和发展，一般回采巷道底鼓是这两种形式的组合。4.5沿空掘巷上覆岩体结构稳定性分析4.5.1沿空掘巷顶板关键层煤层顶板岩层中，由于成岩矿物成分及成岩环境等因素不同，岩层厚度和力学性质存在较大差别。其中一些较坚硬并具有一定厚度的岩层起着主要的控制作用，它们破断后形成的结构直接影响着采场及周围巷硐的矿压显现和岩层活动，这些对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破坏特征，即关键层破断时，其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的；前者称为岩层活动的主关键层，后者为亚关键层。关键层理论是分析研究沿空巷道上覆岩层稳定性的理论基础，与采场相比沿空巷道顶板岩层结构具备以下特征：（1）在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，上覆岩层结构运动形式有所不同，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度差异悬殊。同时，掘进巷道再次扰动上覆岩层结构引起应力重新分布，形成更复杂的叠加支承压力18。（2）沿空巷道沿相邻区段采空区边缘布置，顶板岩层处于采空区上覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。（3）沿空巷遭跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影响最显著，与巷道顶板下沉变形基本一致。沿空巷遭条件下，老顶一般可视为亚关键层。4.5.2采空区上覆岩层结构与沿空巷道的关系从围岩力学性质和应力环境来分析，沿空掘巷是一类特殊的回采巷道。上区段工作面回采后，采空区上覆岩层垮落，老预形成“O-X”破断。随着工作面推进，老顶周期性破断，破断后的岩块沿工作面走向方向形成砌体粱结构，在工作面端头破断形成弧形三角块(图4-6)。老顶岩层在直接顶岩层垮落后，一般在煤体内断裂、回转或弯曲下沉，在采空区内形成岩层承载结构。沿工作面倾向，岩体A、岩块B、岩块C组成铰接结构，该结构稳定性取决于采空区的充填程度和老顶岩层的断裂参数。采空区上覆岩层移动稳定后，沿空巷道位居岩块B的下方。岩体A为本区段工作面老顶岩层，岩块B为上区段工作面采空区靠煤体一侧的弧三角板，岩块C为上区段工作面采空区垮落矸石上的断裂岩块（图4-5）。岩块B对沿空巷道上覆岩层结构的稳定起重要作用，对弧三角块结构稳定性进行力学分析，揭示老顶三角块结构稳定状态与沿空巷道稳定状态的关系，对合理确定沿空巷道位置及支护参数具有重要意义19。图4-5 采空区上覆岩层结构示意图4.5.3掘进前上覆岩体结构稳定性分析上工作面回采过程中，采空区中部顶板岩层活动表现为旋转下沉和平移下沉。采空区侧的直接顶，在自重应力作用下，从下往上分层垮落。随老顶岩梁的变形，老顶上覆岩层的重量逐渐转移到煤体深部，使煤体深部出现应力集中，煤体边缘及采空区处于卸压状态，之后，随老顶岩梁的旋转，老顶在侧向煤体深部断裂，老顶岩梁在直接顶和冒落碎研的支撑下，形成侧向砌体梁结构。随采空区逐渐压实，形成的砌体梁结构逐渐趋于稳定。该阶段顶板活动以旋转下沉为主，变形速度快，变形量大。但研究显示:沿空掘巷掘进及稳定阶段围岩移近量小，而在本工作面回采期间变形剧烈。这表明，沿空掘巷的稳定性与顶板岩层中一层或几层坚硬岩层断裂后结构的稳定性密切相关。因此研究和识别由于这类顶板的断裂而形成的上覆岩层“砌体梁”结构的稳定性对认识巷道在服务期内压力的变化、确定沿空掘巷的合理位置、优化沿空掘巷支护参数是十分必要的。在研究沿空掘巷上覆岩层“砌体梁”结构稳定性时，应用关键层理论的基本原理和方法无疑是适用的。但是，沿空掘巷上覆岩层结构与采场的情况又不尽相同，因此须针对沿空掘巷的具体条件和特殊情况加以解决。概括起来，沿空掘巷与采场上覆岩层结构的不同之处有20：（1）回采工作面是不断往前推进的，“砌体梁”结构的运动只是在回采工作面前后一定范围内；而沿空掘巷所在位置的关键顶板在上区段回采时就要受到上覆岩层运动的影响，掘巷和巷道整个服务期间，又要受到本工作面上覆岩层运动的影响。（2）上区段回采时沿空掘巷所在位置的上覆岩层处于固支边与自由边相交处，因而其上覆关键层断裂成弧三角板，这与采场是有区别的。（3）对沿空掘巷稳定性影响最大的主要是直接顶上面的老顶，因此，应研究老顶断裂、运动、稳定对沿空掘巷的影响。相邻工作面煤层采出后，上覆岩体的垮落特征、垮落后的赋存状态在一定程度上取决于老顶岩层的断裂特征及其垮落后的赋存状态。上区段工作面煤层采出时，在工作面支架推过后，上覆岩层在支承压力和自重的作用下首先离层、垮落。工作面支架推过后，随着上区段煤层的采出和靠近采空侧岩体的垮落，直接顶岩层随之发生不规则或规则的垮落下沉，最终与其上部老顶岩层发生离层。侧向方向的直接顶垮落后，老顶岩层在煤体内断裂，并发生回转或弯曲下沉，直至在采空侧形成铰接结构。该结构的稳定性与采空区充满程度及老顶岩层的断裂参数密切相关22。4.5.4掘进时上覆岩体结构稳定性分析从围岩力学性质和应力环境来分析，沿空掘巷是一类特殊的回采巷道。由于上区段工作面回采，采空区上覆岩层垮落，基本顶初次来压形成“O-X”破断，周期来压即基本顶周期破断后的岩块沿工作面走向方向形成砌体梁结构，在工作面端头破断形成弧形三角块闭。弧形三角块断裂在煤壁内部旋转下沉，它的运动状态及稳定性直接影响下方煤体的应力和变形，沿空掘巷在其下方，一般在采空区上覆岩层基本稳定后掘进，巷道掘进一般不影响三角块结构的稳定；而当受到下区段工作面回采超前支承压力作用时，弧形三角块结构的稳定性及运动状态必将发生较大的改变，并通过顶板作用于沿空巷道，因此弧形三角块结构的稳定性及运动状态对沿空掘巷的稳定性有重要影响。现场实践也表明:沿空掘巷在掘进影响阶段及掘后稳定阶段变形较小，受工作面采动影响之后，巷道围岩活动剧烈，加上围岩松软破碎，造成工作面回采时巷道变形量很大。基本顶的稳定状况及位态直接影响沿空掘巷围岩稳定状况，因而，基本顶破断后形成的结构构成了沿空掘巷的上部边界23。沿空掘巷一侧为未开采的实体煤、另一侧为上区段采空区，上区段工作面基本顶在实体煤侧为固支边，基本顶在煤体侧的断裂线深入煤壁内，破断形成关键块后，以煤体之上的断裂线为轴，向下旋转。基本顶之上的软弱岩层可视为作用于其上的载荷，受到工作面采动影响之前，关键块上部的软弱岩层与其上部硬岩层离层、失去力的传递。关键块与实体煤侧的岩体、采空区侧的块体形成铰接结构。留窄煤柱沿空掘巷，工作面回采影响阶段，在超前支承压力和侧向支承压力叠加作用下，实体煤侧岩块下方的煤体、顶板压缩下沉，采空区侧岩块下方的研石压缩下沉，关键块发生旋转下沉，其稳定性及位态发生改变。留窄煤柱沿空掘巷，巷道远离基本顶三角块结构，可以认为基本顶三角块结构是沿空掘巷的上部边界，在不同阶段，三角块结构的受力状况相差较大，它的运动状态及稳定性是变化和发展的，使得沿空掘巷的外部力学环境更为复杂，三角块结构的运动状态和稳定性通过直接顶、老顶影响巷道稳定性。基本顶三角块结构的稳定性变化过程为：上区段工作面回采后采空区上覆岩层冒落而形成该结构、沿空掘巷对该结构扰动、本区段工作面回采时超前支承压力对该结构的作用，其稳定性是一个从掘巷前的稳定状态一掘巷期间的扰动一掘巷后的稳定一工作面采动影响稳定状态改变的动态响应过程。其稳定状况主要可分为掘巷前、掘巷时、掘巷后及工作面采动影响三个阶段。4.5.5掘巷后上覆岩体结构稳定性分析上覆岩体结构在巷道掘进前是稳定的，掘巷后，这种稳定状态是否能够继续保持，这对沿空掘巷掘进期间的稳定性是非常重要的。巷道在上覆岩层下方的煤体中掘进，巷道上方赋存的直接顶厚度较大；同时，巷道的掘进位置又处于支承压力相对较小的低应力区。因此，巷道掘进对其上覆煤岩层的扰动并不会影响到此结构的稳定，此时，关键块的变形及受力特点不变，上覆岩层结构仍将保持原有的稳定状态，巷道外部力学环境没有大的变化。沿空掘巷在掘进影响期间，围岩的变形主要由掘巷时围岩应力的重新分布造成。虽然巷道在上区段侧向支承应力降低区内掘进，但由于巷道围岩主要由已发生了一定程度变形破坏的煤体所组成，故对围岩应力的反映很敏感，即使较小的应力集中，也可能导致巷道围岩较大的变形；当巷道掘进稳定后，围岩的变形主要由软弱破碎围岩的蠕变而引起。因此，只要及时采取一定的支护措施，就不会对巷道上覆岩体结构的稳定构成危害，可以有效地控制巷道在掘进期间的围岩变形量，并能减小巷道在掘后稳定期间因围岩蠕变产生的变形。沿空掘巷在掘进影响期间，围岩的变形主要由掘巷时围岩应力的重新分布造成。虽然巷道在上区段采空侧应力降低区内掘进，但由于巷道围岩主要由已发生了一定程度变形破坏的煤体组成，故其对围岩应力的反映很敏感，即使是较小的应力集中，可能也会导致巷道围岩较大的变形；当巷道掘进稳定后，围岩的变形主要由软弱破碎围岩的蠕变而引起。因此，只要在综放沿空掘巷掘进时，及时采取一定的支护措施，就不会对巷道上覆煤岩体结构构成危害，可以有效地控制巷道在掘进期间的围岩变形量，并能减小巷道在掘后稳定期间因围岩蠕变产生的变形。根据上面对综放沿空掘巷在掘进前后的上覆岩层结构稳定性分析，我们认为，在该条件下完全可以采用锚杆支护来维护巷道，巷道稳定的关键在于:合理的支护对策、把握合理的锚杆支护时机、及采用高可靠的锚杆支护技术。4.5.6采动影响下沿空掘巷围岩变形分析窄煤柱的回采巷道沿煤层底板掘进，顶板为煤体，巷道围岩应力分布和围岩变形规律与其它回采巷道不尽相同。这类巷道在采空区侧的煤体中掘进，煤体在采空区侧向支承压力的作用下变形、破碎，承载能力降低，在本工作面回采时，沿空掘巷上覆岩体结构的稳定状态将被打破，造成巷道压力加大，变形剧烈。回采影响时期，由于受叠加支承压力作用，砌体梁结构将发生滑落失稳或转动失稳，窄煤柱将失去砌体梁结构的保护；窄煤柱遭破坏，对老顶岩层的回转下沉所引起的巷道变形无能为力，老顶将进一步倾向回转、下沉。距煤壁较近时，老顶在走向方向也回转、下沉，老顶的活动较为复杂，巷道矿压显现剧烈。从理论和现场实践可知，综放开采沿空掘巷在受本区段工作面采动影响时，巷道围岩的变形很大，主要原因在于本工作面回采时，沿空掘巷上覆岩层“砌体梁”结构的稳定状况发生了变化，造成巷道围岩应力急剧上升。沿空掘巷上覆岩层结构在回采时仍会保持随机的平衡状态，但在其稳定状态发生变化的过程中，将会导致巷道围岩变形的不断增大。沿空掘巷在受到本区段工作面回采时，上区段工作面回采后形成的上覆岩层“砌体梁”结构原有的平衡状态将受到强烈的影响而产生破坏，上覆岩层将要形成一个新的平衡结构，在这一上覆岩层运动过程中，沿空掘巷将要受到采动的强烈影响，而使巷道围岩产生强烈的变形和破坏，此时底鼓现象尤为严重。沿空掘巷在受到本工作面回采影响期间，由于采动支承压力作用，巷道围岩变形远远大于掘进影响期间，前者一般为后者的5一10倍。由于沿空掘巷所处的应力环境与实体煤巷道完全不同，上工作面的开采，在本工作面采空区侧形成侧向支承压力，使采空区边缘的煤体进入塑性状态；同时，上工作面底板岩层遭到破坏，本工作面采空区侧底板的水平应力被释放，而且沿空掘巷布置在应力降低区，因此沿空掘巷从掘进到本工作面回采前，即不受本工作面采动影响时沿空掘巷底板一般比较稳定。在受到本工作面采动影响时，由于本工作面的超前支承压力和上工作面的侧向支承压力叠加作用在沿空掘巷附近形成高支承压力，巷道上覆的老顶岩层发生二次回转运动，致使沿空掘巷顶板下沉、巷帮煤柱产生压缩变形、窄煤柱全部进入塑性或破碎状态，煤柱承载能力甚微，巷道底板鼓起，并且在二次水平应力作用下，巷道底板岩层产生压曲破坏，从而使沿空掘巷围岩变形比实体煤巷道围岩大得多。4.6沿空掘巷的围岩稳定基本原理4.6.1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:（1）巷道处于应力降低区；（2）掘巷期内围岩应力集中程度小；（3）回采期间应力集中程度很大。4.6.2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到不稳定到稳定到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4-6所示。其过程可归结为24：（1）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4-6(a)所示。（2）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。（3）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。图4-6 回采时沿空掘巷的上覆岩体大结构的平面和剖面实体图W-沿空掘巷上覆岩层大结构的下沉量；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（4）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。（5）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。4.6.3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