沿空留巷围岩的失稳机理与控制技术

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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[1][2]，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，

2、沿空巷道的矿压显现比位于煤体内的单一巷道复杂的多，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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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