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沿空留巷支护结构稳定性分析
摘要：介绍了沿空留巷顶板结构特征及运动规律，提出了沿空留巷顶板控制机理，并分析了沿空留巷巷道支护是一个系统性的工作，可能因某一部分变形失稳而造成留巷支护结构整体失稳，指出了沿空留巷围岩变形控制关键技术是控制巷旁支护与实体煤支护强度与刚度相匹配，并与顶板、实体煤形成共同承载体系，以充分发挥围岩自承能力
关键字：沿空留巷；围岩变形控制；巷旁支护；共同承载体
1引言
沿空留巷是我国煤矿开采技术的一次重大变革，它不仅能够较好的实现无煤柱护巷，充分回收煤炭资源，提高煤炭回采率，还能减少巷道掘进量，防止采掘接替矛盾，取消了孤岛工作面的产生，同时还能实现Y型通风，防止工作面上隅角瓦斯积聚，是治理工作面瓦斯超限问题的有效途径，为煤矿生产带来了巨大的经济效益[1]。
自二十世纪五十年代我国实行沿空留巷技术以来，许多学者专家做了大量深入的研究，陆士良教授认为沿空留巷顶板下沉量取决于“裂隙带岩层取得平衡前的强烈沉降[2]，孙恒虎教授通过相似材料立体模型实验，深入分析沿空留巷矿压显现规律，提出设计沿空留巷最大支护载荷主要以顶板的前期活动规律为依据，设计沿空留巷最大支护变形主要以顶板的后期活动规律为依据[3]。李化敏教授认为沿空留巷顶板岩层运动可分为前期活动、过渡期活动及后期活动三个时期，明确了顶板岩层运动各阶段巷旁充填体的作用，确定了各阶段巷旁充填体支护阻力控制设计原则[4]。华心祝教授从如何提高巷道围岩自承能力入手，提出了一种主动的巷旁加强支护方式巷旁锚索加强支护，建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型，并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理[5]。目前沿空留巷技术在我国薄及中厚煤层有很多成功应用，但仍存在一些问题，首先没有将沿空留巷视为一个系统工程，可能因某一部分变形失稳而造成留巷支护结构整体失稳，需要多个因素综合考虑；其次是充填材料不过关，目前沿空留巷充填材料只注重其抗压强度，忽略了其可缩性，不能适应上覆岩层运动规律，以至于使充填体强度还没有达到其最高强度时就已被压坏，为沿空巷道的维护带来很大的困难。
2沿空留巷顶板结构分析
沿空留巷的稳定性受上覆岩体的活动影响，因此研究沿空留巷首先研究上覆岩体的活动规律，沿空留巷的直接顶与巷道是直接接触关系，老顶通过直接顶对巷道发生作用，而上部岩层运动则要通过老顶和直接顶才能影响到巷道。这几者之间，老顶的赋存状态和断裂特征上覆岩层与巷道发生作用过程中起着关键性作用，它成为沿空留巷围岩结构的关键组成部分。工作面开采以后，巷道侧采空区域基本顶在下区段煤壁内侧断裂，并旋转下沉，基本顶及其上部载荷岩层垮落后形成平衡结构，如图1所示。该结构的稳定性与其下位支承体的稳定性密切相关，沿空留巷围岩变形受该结构稳定性的影响很大，其中对沿空留巷稳定性影响最大的是基本顶的端部岩梁块段B。

图1沿空留巷覆岩结构关系
一般来讲，老顶端部岩梁块的旋转下沉不是巷旁支护能够抵抗的，它的运动具有一定的“给定变形”运动特点。正因如此，沿空留巷巷旁支护体要求具有一定的可缩性，同时为了保持直接顶的平衡，还要求其具有一定的切顶能力，把直接顶沿着支护体采空区外侧及早切断，保持巷道顶板的完整性，这样不仅能够减小基本顶岩梁的运动空间，减小巷旁充填体的支护阻力，冒落的矸石还能充填采空区，对基本顶起到支撑作用，如果充填体不足以切断基本顶，应采用强制放顶的方式切断直接顶及一部分基本顶，使冒落的矸石充满采空区。强制切断基本顶的端部块段是沿空留巷中缓冲基本顶来压，减小巷内和巷旁支护阻力的有效方法。基本顶切断后沿空留巷力学模型如图2所示。

图2沿空留巷力学结构模型
煤层采出后，直接顶垮落充满采空区时，直接顶垮落的高度可由下式算出：
（1）
式中：——直接顶跨落高度，m；
——煤层开采厚度，m；
——碎胀系数。
3沿空留巷顶板控制机理
3.1沿空留巷煤柱支撑压力
沿空留巷煤体的支撑压力和应力极限平衡区宽度X0的表达式[6]：
（1）
（2）
式中，X0为煤体内极限平衡区宽度；，，分别为煤层的粘聚力和内摩擦角；为支架对煤壁的支护阻力；为距离煤壁边缘的距离、为煤层与顶板接触面的磨擦系数、为覆岩层的平均密度；K为应力集中系数；H为开采深度；m为开采厚度；为三向应力系数。
3.2老顶下沉量的确定
根据老顶岩块形成稳定“岩梁结构”的空间形态，岩块之间的几何关系，可以得出老顶最大的下沉量S：
（3）
式中，为老顶分层垮落岩块厚度、为老顶旋转岩块的旋转角、为下端的下沉量；为老顶岩块长度。
3.3巷旁充填体临界支护阻力的确定
在顶板的后期活动期，留巷空顶区处在稳定平衡顶板岩梁结构的保护之下，所需的支护阻力较小，充填体的临界支护阻力主要是平衡冒落带高度对应的岩层重量[2]。其临界支护阻力可表示为:
（4）
式中，c为巷道宽