專題綜述-煤礦沿空掘巷圍巖控制原理與技術(shù)

專題部分煤礦沿空掘巷圍巖控制原理與技術(shù)摘要：針對沿空掘巷圍巖的力學(xué)環(huán)境和維護(hù)特點，在分析了巷道上覆巖層大結(jié)構(gòu)和巷道圍巖錨固小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，闡述了沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理及沿空掘巷窄煤柱寬度的留設(shè)原則、影響因素和設(shè)計方法，為錨桿支護(hù)在沿空掘巷中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。沿空掘巷的圍巖穩(wěn)定原理和技術(shù)能有效控制巷道圍巖變形，為礦井的安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：沿空掘巷 圍巖大、小結(jié)構(gòu) 錨桿支護(hù)1 緒論1.1 沿空掘巷研究的意義從 20 世紀(jì) 50 年代開始，國內(nèi)外開展了主要包括沿空留巷和沿空掘巷兩種方法的無煤柱護(hù)巷技術(shù)的試驗研究，對無煤柱護(hù)巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了大量的成果，推動了無煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展。沿空掘巷是在第一個工作面采空區(qū)巖層活動基本終止，回采引起的應(yīng)力重新分布趨于穩(wěn)定后掘進(jìn)，巷道位于應(yīng)力降低區(qū)，采用寬度較小的煤柱和合理的支護(hù)技術(shù)可以保證巷道在掘進(jìn)及掘進(jìn)后圍巖變形較小，巷道只經(jīng)歷一次采動影響，因此沿空掘巷的應(yīng)力環(huán)境和維護(hù)條件均優(yōu)于沿空留巷。提高煤炭開采的采出率是關(guān)系到礦井的開采壽命和技術(shù)發(fā)展方向的重大問題，在回采巷道中采用沿空掘巷顯然是十分有利的。所以，我國無煤柱護(hù)巷大部分采用沿空掘巷。目前國內(nèi)在沿空掘巷方面已做了大量的工作，初步形成了沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性理論和控制技術(shù)。這對促進(jìn)我國無煤柱開采的進(jìn)一步發(fā)展，充實和發(fā)展回采巷道支護(hù)理論，大力推廣錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)高度集約化生產(chǎn)的高產(chǎn)高效礦井建設(shè)無疑都具有重要的理論意義和實用價值。沿空掘巷的實質(zhì)是沿上工作面采空區(qū)邊緣留窄煤柱（16m）掘進(jìn)巷道。在國內(nèi)，窄煤柱沿空掘巷在簡單地質(zhì)條件下礦區(qū)已得到較廣泛的應(yīng)用，其圍巖控制的中心思想基于“巷道布置在采空區(qū)側(cè)的低應(yīng)力區(qū)，同時窄煤柱有一定的自承能力”，例如窄煤柱寬度設(shè)計主要依據(jù)采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布而定，而圍巖控制多采用均稱支護(hù)方式3-5。在技術(shù)的應(yīng)用上缺乏適用性。為此，本文闡述了沿空巷道大、小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理與控制技術(shù)，對于指導(dǎo)沿空巷道圍巖變形控制具有重要的理論與實踐價值。1.2 沿空掘巷存在的問題高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律顯著不同于采用架棚低強(qiáng)度錨桿支護(hù)的沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，沿空掘巷的礦壓理論和支護(hù)技術(shù)存在以下幾個方面問題。（1） 基本頂弧形三角塊是沿空掘巷的上邊界，它的旋轉(zhuǎn)下沉及穩(wěn)定狀況直接決定沿空掘巷的穩(wěn)定性?；卷斣诠ぷ髅娑祟^形成的弧形三角塊結(jié)構(gòu)，受工作面采動影響后，弧形三角塊的受力情況和穩(wěn)定狀態(tài)復(fù)雜，目前對基本頂弧形三角塊穩(wěn)定狀況研究較少。（2） 護(hù)巷窄煤柱是沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的重要組成部分，窄煤柱的穩(wěn)定性直接關(guān)系到沿空掘巷的穩(wěn)定，同時窄煤柱的寬度決定巷道圍巖應(yīng)力的大小與圍巖完整性，如何確定合理的窄煤柱寬度，保持窄煤柱穩(wěn)定，這有待于對采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及沿空掘巷圍巖變形、破壞規(guī)律的深入研究。（3） 高強(qiáng)度錨桿支護(hù)系統(tǒng)和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)沿空掘巷，錨固體與圍巖的相互作用關(guān)系，錨固體適應(yīng)大變形及安全可靠、經(jīng)濟(jì)、合理確定沿空掘巷錨桿支護(hù)參數(shù)需進(jìn)一步深入研究。2 沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的基本原理2.1 沿空掘巷的圍巖力學(xué)環(huán)境沿空掘巷的圍巖力學(xué)環(huán)境與其它類型的回采巷道相比，一般具有以下三個顯著的特點：巷道處于應(yīng)力降低區(qū)；掘巷期內(nèi)圍巖應(yīng)力集中程度??；回采期間應(yīng)力集中程度很大。2.2 沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析基于老頂巖層的上覆巖體大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個與上區(qū)段工作面回采、掘巷、及本區(qū)段工作面回采時載荷從穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定的動態(tài)響應(yīng)過程。研究和實踐表明，沿空掘巷上覆巖體在巷道掘進(jìn)及本工作面回采前是可以保持穩(wěn)定的，但在受本工作面采動影響時，其穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重影響。沿空掘巷在受到本區(qū)段工作面的回采影響時，巷道與上覆巖體大結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系如圖1 所示。其過程可歸結(jié)為：本區(qū)段工作面回采時，采空區(qū)老頂巖層產(chǎn)生新的破斷，由于沿空掘巷位于回采工作面前方，這種破斷不會在沿空掘巷上方產(chǎn)生，只是在回采工作面采空區(qū)內(nèi)，長邊破斷線直接與原有關(guān)鍵塊體溝通，也即新產(chǎn)生的巖塊 A 與原有三角形板 B 相連通，如圖 1（a）所示。（a）（b）W沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)的下沉量；M關(guān)鍵塊體B 的回轉(zhuǎn)力矩；m本工作面老頂巖層向采場回轉(zhuǎn)的力矩圖 1 回采時沿空掘巷與上覆巖體大結(jié)構(gòu)的平面和剖面關(guān)系圖老頂巖層破斷后，塊體 A 將分別在回轉(zhuǎn)力矩 m 和 M 的作用下向本工作面和側(cè)向三角板 B 方向回轉(zhuǎn)下沉，進(jìn)而破壞了工作面前方沿空掘巷大結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)，大結(jié)構(gòu)中的鉸接巖體 A 和關(guān)鍵塊 B 處于運(yùn)動和不穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā) B 塊的一定下沉和在工作面前方形成較高的支承壓力。上覆巖體大結(jié)構(gòu)在較高支承壓力的作用下，巖塊 A 和巖塊 B 將有一定的回轉(zhuǎn)下沉， 如圖 1（b）中的 W 所示。大結(jié)構(gòu)的這種運(yùn)動和不穩(wěn)定狀態(tài)將造成沿空掘巷圍巖應(yīng)力的再次重新分布和集中，其影響程度遠(yuǎn)大于掘巷時圍巖應(yīng)力的重新分布和集中。需說明的是： 掘巷和回采時圍巖應(yīng)力的來源不同，巷道圍巖應(yīng)力在掘巷期間是由于掘進(jìn)引起的圍巖小范圍內(nèi)的應(yīng)力集中；而在回采時，圍巖應(yīng)力的集中則來源于上覆巖體大結(jié)構(gòu)這個外部力學(xué)環(huán)境的變化。沿空掘巷在回采時圍巖應(yīng)力的強(qiáng)烈集中，加上巷道圍巖性質(zhì)的軟弱性質(zhì)，使沿空掘巷圍巖產(chǎn)生大變形；同時，由于大結(jié)構(gòu)造成的巷道圍巖應(yīng)力重新分布的不均勻性，使得巷道頂板、底板、實體煤幫及煤柱在變形方式和變形量上存在較大的差異。上覆巖體大結(jié)構(gòu)從受工作面回采影響起，直到臨近工作面端頭的過程中，上覆巖體大結(jié)構(gòu)上的載荷雖然是在不斷增加，但由于各巖塊間的支承條件并沒有改變，故仍會保持隨機(jī)的平衡狀態(tài)，不同的是塊體間的受力情況發(fā)生了一定的變化。因此，在工作面推過之前，大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會受到根本的改變，因而只要巷道支護(hù)合理，巷道錨桿支護(hù)與圍巖形成的小結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，巷道就不會受到破壞，大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)只有在工作面推過后才會被打破，進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)，造成巷道的徹底破壞。綜上分析可以得出這樣的結(jié)論：沿空掘巷在本工作面回采時，巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)不會發(fā)生失穩(wěn)垮落，但其一定程度的下沉變形是不可抗的，此時保持巷道圍巖的穩(wěn)定性除了適應(yīng)上覆巖層的下沉外，還應(yīng)加強(qiáng)錨桿支護(hù)和其他支護(hù)措施，使巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，進(jìn)而保證沿空掘巷在生產(chǎn)期間的正常使用。2.3 沿空掘巷圍巖錨固小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析錨桿支護(hù)巷道的穩(wěn)定是通過在巷道圍巖中系統(tǒng)布置錨桿，使錨桿群、錨桿的輔助構(gòu)件及其錨固范圍內(nèi)的圍巖形成一個整體承載結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)良好的承載性能和對其外部圍巖變形的適應(yīng)性，充分發(fā)揮較深部圍巖的自承能力，從而保證巷道的穩(wěn)定性。相對于沿空掘巷上覆巖體的大結(jié)構(gòu)而言，我們把這個由巷道周圍錨桿組合支護(hù)與圍巖形成的統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)稱為沿空掘巷圍巖小結(jié)構(gòu)。圍巖小結(jié)構(gòu)作為頂板、底板、實體煤幫和煤柱幫錨固區(qū)組成的一個有機(jī)整體，其變形和破壞是各組成部分相互作用、相互影響的綜合結(jié)果，由于巷道所處的應(yīng)力環(huán)境呈現(xiàn)明顯的不均衡性，故其變形與破壞也將呈現(xiàn)非均勻的特點。通過現(xiàn)場實踐和理論分析研究，得出圍巖小結(jié)構(gòu)變形破壞的類型主要有以下幾種：（1） 窄煤柱誘導(dǎo)型破壞窄煤柱作為圍巖小結(jié)構(gòu)一個很重要的組成部分，由于煤柱本身受上區(qū)段工作面回采影響很大，煤體的破壞程度較高，當(dāng)它發(fā)生變形破壞時，將使巷道頂板的承載基礎(chǔ)作用降低， 進(jìn)而導(dǎo)致頂板向煤柱側(cè)采空區(qū)下沉破壞，產(chǎn)生向巷道內(nèi)移近和向下沉降，從而造成巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的變形破壞，稱之為窄煤柱誘導(dǎo)型破壞。（2） 頂板誘導(dǎo)型破壞由于受巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)的影響，頂板煤體在掘巷前變形同樣很嚴(yán)重。同時，受上覆巖體斷裂回轉(zhuǎn)的影響，在巷道頂板煤體中將形成一組裂隙。在掘巷前，頂板煤體呈壓縮狀態(tài)，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，煤體所貯存的壓縮能量將釋放，此時如果不能及時提供有效的支護(hù)阻力，將造成頂板煤體在其自重及上覆巖體壓縮產(chǎn)生的變形壓力作用下發(fā)生明顯的下沉， 甚至冒落，隨著頂板下沉量的加大，頂板上方的載荷將向窄煤柱和實體煤幫移動，結(jié)果可能會使窄煤柱載荷加大而破碎失穩(wěn)，同時實體煤幫及底板的穩(wěn)定狀態(tài)也會變化，使巷道圍巖小結(jié)構(gòu)破壞，稱之為頂板誘導(dǎo)型破壞。（3） 實體煤幫誘導(dǎo)型變形破壞實體煤幫的圍巖性質(zhì)相對于頂板及煤柱要好一些，但相對于巷道的其它部位來說，實體煤幫的應(yīng)力集中程度是最大的，尤其是在巷道受采動影響時，垂直應(yīng)力的集中系數(shù)可達(dá)4 左右。實踐中，實體煤幫常常因過大的垂直應(yīng)力而向巷道內(nèi)強(qiáng)烈位移和顯著下沉，其過大的移近量將使頂板向?qū)嶓w煤側(cè)發(fā)生傾斜而垮落，同時也會誘導(dǎo)靠近實體煤幫的底板嚴(yán)重鼓起，這種小結(jié)構(gòu)的變形破壞機(jī)理稱為實體煤幫誘導(dǎo)型破壞。（4） 底板誘導(dǎo)型破壞沿空掘巷的底板一般為強(qiáng)度較低的軟弱巖體，巷道掘巷期間，巷道的圍巖應(yīng)力相對處于一較低的環(huán)境中，此時，底板一定深度雖有程度較大的水平應(yīng)力集中作用，但底板一般均能保持穩(wěn)定。在受采動影響時，上覆巖體將引起巷道圍巖應(yīng)力的上升，增大的垂直應(yīng)力作用在實體煤幫，并有效地傳遞到底板巖層中，使原來的水平應(yīng)力發(fā)揮作用，從而導(dǎo)致巷道發(fā)生底鼓。由于底板中垂直應(yīng)力集中的不均衡性，軟弱的底板巖層鼓起也是不對稱的。在興隆莊礦底板條件下，靠近實體煤幫的鼓起量明顯較大。從巷道支護(hù)的整體穩(wěn)定性來考慮，沿空掘巷的圍巖小結(jié)構(gòu)無論是在圍巖本身特性，還是在加固后的力學(xué)特性上，均具有明顯的非均衡現(xiàn)象。因此，保持小結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定是沿空掘巷穩(wěn)定的根本。3 窄煤柱寬度的合理確定從煤柱的應(yīng)力場、位移場分布特征來看，窄煤柱寬度影響巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖位移分布，煤柱對巷道圍巖變形的作用隨煤柱寬度的變化而變化。回采期間窄煤柱寬度對沿空掘巷圍巖變形影響為：（1）頂板下沉，（2）底鼓，（3）實體煤幫位移3.1 確定窄煤柱合理寬度的原則窄煤柱是沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，其穩(wěn)定性決定沿空掘巷的穩(wěn)定性， 采用錨桿支護(hù)時窄煤柱寬度應(yīng)滿足以下幾個原則：巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。采空區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，當(dāng)巷道位于應(yīng)力降低區(qū)時，窄煤柱及巷道的穩(wěn)定性均較好，所以應(yīng)將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)。窄煤柱內(nèi)部有穩(wěn)定的區(qū)域。上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑螇毫ψ饔煤拖锏谰蜻M(jìn)影響，窄煤柱兩側(cè)出現(xiàn)破碎區(qū)不可避免，如果煤柱均為破碎區(qū)，其承載能力和穩(wěn)定性較小，而且錨桿在破碎煤體中的錨固力小，錨桿支護(hù)作用降低，巷道維護(hù)困難，因此，應(yīng)將錨桿錨固在上區(qū)段工作面回采產(chǎn)生的破碎區(qū)外的穩(wěn)定煤體中。有利于巷道圍巖穩(wěn)定。煤柱過窄，不但煤柱破碎、頂板及實體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差、承載能力小。保證錨桿具有良好錨固性能。錨桿的錨固性能越好，巷道圍巖整體承載能力越強(qiáng)。采出率高。煤柱越小，采出率越大，在滿足巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，盡可能減小窄煤柱寬度寬度。3.2 窄煤柱寬度計算合理窄煤柱寬度的確定可以從理論計算、數(shù)值分析、工程實踐三個方面綜合考慮。下面以中等穩(wěn)定圍巖條件舉例說明。（1） 理論計算法如果煤柱過窄，則開巷后煤柱易于迅速變形破裂而使錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，使錨固力減弱、錨桿的支護(hù)作用降低。通過極限平衡理論研究認(rèn)為，合理的最小煤柱寬度 B 為：B = x1 + x2 + x3（1）式中：x1因上區(qū)段工作面開采而在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中產(chǎn)生的破碎區(qū)，其寬度按式（2）計算3。 kg H +mAC0tan f x1 =ln 0 （2）2 tan f0C0 tan f0+ Px A 式中：x2巷道窄煤柱一幫錨桿有效長度，再增加 15%的富裕系數(shù)，m； x3考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按 0.2(x1+x2)計算； m上下區(qū)段平巷高度，m；A側(cè)壓系數(shù)，A=/(1-)； 泊松比；0煤體的內(nèi)摩擦角，； C0煤體的粘聚力，MPa； k應(yīng)力集中系數(shù)，3 左右。巖層平均容重，kN/m3； H巷道埋藏深度，m；Px對煤幫的支護(hù)阻力，如上區(qū)段采空區(qū)側(cè)支護(hù)已拆除，可取 Px0。對于中等穩(wěn)定圍巖的沿空掘巷，最小煤柱寬度 B 值一般為 3.55.0m。（2） 數(shù)值模擬分析法數(shù)值模擬的優(yōu)勢在于能考慮眾多的影響因素，并通過對比分析而得到一個較優(yōu)的結(jié)果6-8。利用 FLAC2D3.3 對中等穩(wěn)定條件下不同窄煤柱（16m）寬度時，巷道圍巖變形量進(jìn)行了分析，計算中分別取窄煤柱寬度為 2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m 及 6m 八個方案，對巷道在掘進(jìn)及其本工作面回采期間的實體煤幫、窄煤柱幫、頂板下沉和底鼓量進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)果：（a）不同煤柱寬度在掘巷期間的位移量 （b）不同煤柱寬度在采動影響時的位移量圖 2 不同煤柱寬度在掘巷期間和在采動影響的位移量圖其中圖 2（a）、（b）分別為沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間和受本工作面采動影響時，窄煤柱寬度不同時實體煤幫、窄煤柱幫、頂板及底鼓的變化趨勢。由圖 2（a）可見，沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間，當(dāng)窄煤柱的寬度不同時，巷道的圍巖變形具有以下一些特點：窄煤柱寬度不同時，巷道兩幫的圍巖移近量均大于頂板的相對下沉量，說明在此期間，巷道的變形以兩幫移近為主。在巷道的兩幫移近量中，實體煤幫的移近量和窄煤柱幫的移近量雖稍有變化，但其量值相差不大。實體煤幫的變化趨勢是隨著窄煤柱寬度的增加，移近量稍有下降，但當(dāng)煤柱寬度大于 4.5m 時，移近量又開始有一定的回升；窄煤柱幫的變形則隨著煤柱寬度的增加變形量呈上升的趨勢，但在一定煤柱寬度時，其變化趨勢與實體煤幫逐漸趨于一致。在窄煤柱范圍內(nèi)，巷道的頂?shù)装逡平恳皂敯逑鲁翞橹?，底鼓則相對要小一些。底板鼓起量隨著煤柱寬度的增加而開始增加，在窄煤柱范圍內(nèi)，其增加幅度較??；頂板的下沉量在巷道掘進(jìn)期間是頂?shù)滓平恐械闹黧w，但隨著窄煤柱寬度的增加，頂板的下沉量逐漸呈下降的趨勢。由圖 2（b）可見，巷道受本工作面回采影響，窄煤柱寬度不同時，巷道圍巖的變形具有以下一些特點：巷道在受采動影響時，巷道兩幫的移近量也大于頂?shù)装宓南鄬ο鲁亮?，說明在本工作面回采時，巷道圍巖的變形與掘巷期間類似，也是以兩幫的變形為主。在窄煤柱條件下，巷道頂?shù)装宓囊平颗c煤柱的寬度有較大的關(guān)系，當(dāng)煤柱寬度較小時，巷道的頂板下沉量要大于底板的鼓起量；隨著煤柱寬度的增加，底板的鼓起量增加， 而頂板的下沉量降低，底鼓量大于頂板下沉量；當(dāng)窄煤柱寬度達(dá)到 6m 左右時，兩者的變形量逐漸趨于一致。在巷道兩幫移近量中，實體煤幫的變形趨勢與頂板下沉的趨勢很相似，但其量值要大得多；窄煤柱的變形趨勢則與底鼓的變形趨勢一致，但也是在量值上要大一些。同時還應(yīng)注意到，窄煤柱寬度在一定范圍內(nèi)時，煤柱的變形要比實體煤幫的變形量大，最終隨著煤柱寬度的增大，兩幫的移近量均有不同程度的上升。通過上面的分析可以得出這樣的結(jié)論：在窄煤柱條件下，沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間， 由于圍巖的變形量普遍較小，窄煤柱寬度對巷道圍巖變形量的影響不是很明顯；但巷道在受本工作面的采動影響時，巷道圍巖的變形量均較大，在此情況下，合理的窄煤柱寬度與巷道的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。在中等穩(wěn)定的圍巖條件下，窄煤柱寬度在 3m 或 5m 左右較為合適。（3） 工程實踐分析法沿空掘巷的窄煤柱設(shè)計具有很強(qiáng)的工程特征，故合理的窄煤柱寬度還應(yīng)考慮工程中的一些要求：錨桿的安設(shè)基礎(chǔ)。窄煤柱采用錨桿支護(hù)時，煤柱的寬度至少應(yīng)大于錨桿的長度?，F(xiàn)有條件下，錨桿一般長度多在 2m 左右，考慮到保留一定的寬度富裕系數(shù)，故要求窄煤柱的寬度應(yīng)不小于 2.5m。錨桿安設(shè)的可操作性。在留設(shè)窄煤柱條件下，錨桿支護(hù)中常會出現(xiàn)這樣的問題，當(dāng)窄煤柱破壞較為嚴(yán)重時，錨桿鉆孔在鑿出后會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，致使錨桿的安裝無法正常進(jìn)行，故在實踐中應(yīng)予以考慮。（4） 窄煤柱的最終確定由以上研究可見，沿空掘巷采用錨桿支護(hù)時，窄煤柱的確定應(yīng)充分考慮以下三個問題： 其一，對沿空掘巷的窄煤柱來說，靠上區(qū)段工作面采空側(cè)煤體中存在一定范圍的破碎區(qū)，當(dāng)在巷道側(cè)窄煤柱中安設(shè)錨桿時，其寬度最好應(yīng)能使錨桿位于采空側(cè)所形成的破碎區(qū)之外，這樣錨桿作用在較為穩(wěn)定的煤體中，可以保證錨桿可靠的錨固能力。其二，沿空掘巷的窄煤柱尺寸決定了巷道與上區(qū)段工作面回采空間的距離，從而決定了巷道受側(cè)向支承壓力的影響程度；同時，窄煤柱的尺寸也將直接關(guān)系到窄煤柱自身的承載能力。其三，窄煤柱的寬度應(yīng)能保證錨桿支護(hù)在操作上可行性。綜上研究后認(rèn)為，在巷道圍巖中等穩(wěn)定條件下，窄煤柱較為合理的寬度在 3m 或 5m左右較為合適。4 沿空掘巷圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)4.1 錨桿的預(yù)緊力錨桿預(yù)緊力對控制破碎圍巖巷道變形有很重要的作用，增大錨桿預(yù)緊力減小巷道圍巖變形、提高圍巖穩(wěn)定性的主要作用在于：（1） 提高圍巖承載能力由前人的大量研究表明，錨桿所能提供的承載能力是有限的，對圍巖應(yīng)力重新分布的影響也較小。錨桿施加一定的預(yù)緊力成為主動支護(hù)，使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，有效抑制巷道圍巖破裂區(qū)向深部發(fā)展，提高圍巖的徑向約束能力和抗剪能力，發(fā)揮圍巖的自身承載能力，提高穩(wěn)定性。（2） 實現(xiàn)破碎錨固圍巖高阻讓壓破碎圍巖、大變形巷道的支護(hù)研究表明，支護(hù)阻力與支護(hù)體的可縮讓壓應(yīng)統(tǒng)一，即大變形巷道的支護(hù)體是在高阻力的基礎(chǔ)上可縮讓壓，強(qiáng)調(diào)一方面而忽視另一方面，必然導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)。在巷道變形初期，較大的預(yù)緊力可以有效地控制淺部圍巖破裂發(fā)展，保證錨固體具備較大的支護(hù)強(qiáng)度，從而對外部圍巖起到承載作用，實現(xiàn)錨桿支護(hù)的高阻力特點； 同時，錨桿具有較大的延伸率，在高阻力作用時，可以伸長使錨固體發(fā)生大變形而保持較大的支護(hù)阻力，對外部圍巖起到可縮、讓壓作用。事實上，提倡錨桿的高預(yù)緊力與提倡錨固體讓壓并沒有本質(zhì)上的矛盾，沒有預(yù)緊力的錨固體在巷道變形初期，通過淺部圍巖變形松動對錨桿產(chǎn)生的作用力，即錨桿產(chǎn)生作用之前，圍巖已經(jīng)發(fā)生較大變形，其整體性和承載能力已經(jīng)降低，因而是低阻力的可縮讓壓， 難以充分利用圍巖自身的承載能力。根據(jù)試驗，考慮在相同的圍巖條件、錨桿布置方式和基本支護(hù)參數(shù)不變時，分別對錨桿施加不同的預(yù)緊力，研究了預(yù)緊力加大后，頂板變形下沉情況。結(jié)果如圖 3 所示。其中圖 3（a）為不同預(yù)緊力與掘巷期間頂板下沉量的關(guān)系，圖 3（b）為不同預(yù)緊力與回采期間頂板下沉量的關(guān)系。（a）掘巷時（b）受采動影響時圖 3 預(yù)緊力與頂板下沉量的關(guān)系由圖可見，在安裝錨桿時，對錨桿施加一定的預(yù)緊力對頂板的下沉量有很大的控制作用。由圖 3（a）可見，在巷道掘進(jìn)期間，及時安裝錨桿并施加一定的預(yù)緊力，即可顯著地減少頂板的下沉量。研究條件下，錨桿安裝時只要施加大約 20kN 的預(yù)緊力，頂板的下沉量即可控制在 20mm 左右。當(dāng)預(yù)緊力小于此值時，頂板在掘進(jìn)期間的下沉量急劇增加，而大于此值時，對控制頂板下沉的作用又不是很明顯。由圖 3（b）可見，在巷道受本工作面采動影響時，安裝時只要 30kN 的預(yù)緊力，即可將頂板下沉量控制在 200mm 左右。同理， 當(dāng)預(yù)緊力小于此值時，頂板的下沉量也將急劇增加，大于此值時又對控制頂板下沉作用不是很明顯。由上面的研究可見，錨桿的預(yù)緊力對控制沿空掘巷的圍巖變形有很重要的作用，主要原因在于：使錨桿成為真正意義上的主動支護(hù)方式；提高錨桿的錨固作用效；實現(xiàn)巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的高阻讓壓?？紤]到現(xiàn)有的錨桿支護(hù)技術(shù)條件和沿空掘巷圍巖大變形的特點，認(rèn)為錨桿的預(yù)緊力在2030kN 左右是較為合理的，此時既可以有效地保證巷道頂板的穩(wěn)定性，又在現(xiàn)場施工中很容易實現(xiàn)。4.2 錨桿的支護(hù)強(qiáng)度通過研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)目前使用的錨桿中，大部分錨桿支護(hù)強(qiáng)度普遍較低，均在 0.04 0.1MPa 左右。據(jù)此，利用數(shù)值計算的方法，通過改變頂板的錨桿支護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)，得到沿空掘巷條件下，不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度時圍巖的變形量，以頂板下沉量為例，整理后得到圖 4所示的關(guān)系，現(xiàn)場條件下的預(yù)緊力為 10kN。圖 4支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系從圖 4 中可以看出，當(dāng)錨桿的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到 0.3MPa 時，可顯著地控制住頂板的下沉變形。而當(dāng)錨桿的支護(hù)強(qiáng)度小于 0.1MPa 時，頂板下沉量急劇增加，頂板的穩(wěn)定性將受到很大影響，而錨桿支護(hù)強(qiáng)度在 0.3MPa 以上時，對控制頂板變形的作用不是太明顯。因此，對于沿空掘巷的軟弱破碎煤體來說，錨桿支護(hù)強(qiáng)度只要保證在 0.20.3MPa 之間就是比較合理的，而這只要有可靠的支護(hù)技術(shù)就可以得到保證。4.3 合理加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)根據(jù)上面的研究，認(rèn)為沿空掘巷的錨桿支護(hù)強(qiáng)度在 0.20.3MPa 是比較合理的，采用高強(qiáng)度錨桿體系和相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)從理論上可以實現(xiàn)，但在一些圍巖狀況惡劣，或者錨桿支護(hù)施工質(zhì)量較差的情況下，基本的支護(hù)形式不能保證錨桿具備足夠的支護(hù)強(qiáng)度時，可根據(jù)情況采取以下的加強(qiáng)支護(hù)措施來提高整體支護(hù)強(qiáng)度，彌補(bǔ)錨桿本身支護(hù)強(qiáng)度的不足，從而保證圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（1） 小孔徑錨索加固技術(shù)沿空掘巷實踐中，常會出現(xiàn)以下問題： 頂板錨桿的長度不夠。通常情況下，頂板錨桿均采用全長錨固方式，由于受巷道高度的限制，錨桿長度不能過大，因此錨桿的錨固范圍較小，對頂板錨固區(qū)外的圍巖變形起不到良好控制效果。 頂板煤體普遍較為松軟破碎，錨桿的錨固性能得不到有效保證，致使錨桿的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)不到 0.20.3MPa。 當(dāng)巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度不夠時，將使兩幫向巷道內(nèi)擠入，煤幫發(fā)生較大的下沉與鼓出，這將影響到頂板的穩(wěn)定性。當(dāng)存在以上問題時，將引起頂板錨固區(qū)外煤體的膨脹和離層，達(dá)到一定程度就會導(dǎo)致頂板大面積冒落，此時可采用該項技術(shù)對頂板進(jìn)行加固。（2） 巷道的超前支護(hù)沿空掘巷受采動影響時，上覆巖體大結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度的變形下沉，將影響到小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)前面的研究，該類巷道較為強(qiáng)烈的影響在工作面前方 40m 范圍內(nèi)，劇烈影響范圍在前方 10m 左右。此時，錨桿的支護(hù)強(qiáng)度不足時，難以控制圍巖過大的變形，該情況下，應(yīng)在超前工作面一定范圍內(nèi)采用適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)措施來控制圍巖的變形，如布置梁、柱等。（3） 煤體的注漿加固技術(shù)對煤體的注漿加固技術(shù)可考慮在以下兩種情況下使用： 小孔徑錨索施工困難時。當(dāng)頂板的松散圍巖層厚度較大時（一般為 8m），錨索的鉆孔和安裝困難，難以保證錨索良好的錨固性能時，應(yīng)考慮對圍巖注漿。 當(dāng)圍巖較破碎時，其裂隙極為發(fā)育，大大削弱了煤體本身的強(qiáng)度，而且降低了錨桿的錨固性能，此時可對煤體進(jìn)行注漿加固，以提高巷道圍巖的穩(wěn)定性