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。
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**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。
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：
式中： —直接顶跨落高度，m；
——煤层开采厚度，m；
——碎胀系数。
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]：
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：
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：
式中，c为巷道宽度、为煤体内极限平衡区宽度，为巷旁充填体宽度。
由于层状围岩赋存的不均匀性，留巷支护结构的变形与破坏也呈现非均匀的特点，并可能因某一部分发生显著变形破坏而导致留巷支护结构整体失稳。根据沿空留巷的特点和对采场侧向顶板结构的分析，认为影响留巷结构稳定的关键因素主要有以下几点：
1）留巷顶板的承载性能。
留巷顶板包括三部分，即巷内顶板、充填区域顶板和实体煤顶板，每部分顶板均对留巷支护结构的稳定性有重要影响。超前采动影响时，顶板基本能保持完整。滞后采动应力远大于超前采动应力，滞后采动应力作用于实体煤顶板，导致顶板明显下沉，实体煤帮在强烈的垂直应力作用下发生大范围松散破坏，从而加剧了留巷顶板的下沉，部分顶板甚至在此强烈动压作用下失稳垮冒。
因此，通过合理的支护方式，保持留巷顶板的完整性是首要之所在。
充填区域顶板的承载性能也很重要。如果顶板比较破碎，漏冒严重，充填体不能将支撑阻力传递给直接顶，导致老顶回转下沉量加大，因而造成巷道顶板和巷道煤帮严重破坏，则沿空留巷难以成功。
2）充填体的承载性能。
充填体作为支护结构的一个重要组成部分，是巷道围岩稳定性的关键之一。充填体承载性能应与煤体、顶底板承载能力相协调。若充填体强度不足，则易在强烈的滞后采动应力作用下发生变形破坏，从而使巷道顶板的承载作用降低，进而导致顶板向充填体侧采空区下沉破坏，造成留巷支护结构破坏。
若充填体强度、刚度较大，则巷道顶板可能沿充填体内侧切顶，同样造成顶板下沉严重，围岩结构失稳。充填体刚度非常高时，充填体将上覆岩层垂直应力全部转移到巷道底板，从而将导致严重底鼓。
因此，合理的充填体强度和宽度应与留巷支护结构其他部分相协调。合理的充填体尺寸和强度，将有助于关键块体尽快稳定，并能适应其回转下沉。合理的充填体尺寸和强度使其与巷道的实体煤帮共同承载，改善留巷支护结构的应力状况，保证留巷结构的稳定。
3）实体煤帮的承载性能。
在沿空留巷巷道两帮中，实体煤帮的变形破坏程度明显大于充填墙体，而且对实体煤帮最为不利的是，因工作面采动而产生的垂直应力明显地向巷道实体煤帮深部和充填墙体上集中，巷道顶板所承受的载荷并不大，实体煤帮和充填墙体是主要的承载结构，且以实体煤帮最为明显。当实体煤帮产生过大变形时，将会造成顶板的倾斜下沉和底板的严重鼓起。因此，重视实体煤帮的承载问题，将对留巷结构的稳定起到很大的作用。
虽然实体煤帮完整性较好，但其应力集中程度是最大的，在掘巷稳定期间，煤帮的变形主要由浅部围岩的变形破坏引起；采动应力调整期间，帮部煤体垂直应力的集中系数较大，导致深部围岩也发生大范围变形移近。工程实践也发现，实体煤帮的破坏随着垂直应力的增加而不断向深部煤体中扩展，常常因过大的垂直应力向巷道内强烈内移而导致变形失稳。
因此，重视实体煤帮的支护问题，将对沿空留巷围岩的稳定起到很大的作用。通过合理的锚杆布置加固巷道帮角，既可以强化帮角的围岩强度，又可以减弱帮角的应力集中程度，使帮角的应力集中向围岩较深部转移。
4）底板的无约束处理。
沿空留巷的底板一般为强度较低的软弱岩体，巷道掘进期间，巷道的围岩应力相对较低，底板一般能保持稳定。采动影响时期，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、充填体上，并传递到底板岩层中。而底板通常处于自由约束状态，底板岩层极易发生鼓起，并导致浅部围岩中的应力卸载并向着较深部围岩转移。
沿空留巷的围岩变形实测结果表明，在巷道顶底板的相对移近量中，底板的鼓起是十分明显的，约占到顶底板移近量的60～70%左右，造成这一现象的主要原因是围岩应力在巷道帮角的集中程度较高。如果底鼓量过大，两帮必将因下沉量过大而引起破坏，造成巷道围岩失稳。因此，控制底板的严重鼓起是保持留巷结构稳定的又一重要问题。
1）沿空留巷巷旁充填体不仅要有一定的可缩性缓解顶板下沉量，同时还要具有一定的切顶能力，将基本顶岩梁沿着充填体外侧切断，不仅有助于巷道顶板的完整性，还能减少巷旁充填体的支护阻力。
2）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的强度与刚度的匹配；沿空留巷中巷旁支护与实体煤支护强度不匹配是导致两侧顶板断裂不同步，运动不协调的根本原因；巷旁支护与实体煤支护的刚度不同，是两侧顶板下沉速度的峰值不同步的根本原因。
3）沿空留巷巷道支护是一个系统性工作，可能因某一部分发生显著变形破坏而导致留巷支护结构整体失稳，因此巷道支护需要各方面综合考虑。
1] 华心祝。我国沿空留巷支护技术及发展现状[j].煤炭科学技术，2006（12）.
2] 陆士良。无煤柱护巷的矿压显现[m].北京：煤炭工业出版社，1982（4）.
3] 孙恒虎，赵炳利。沿空留巷的理论与实践[m].北京：煤炭工业出版社，1992（8）.
4] 李华敏。沿空留巷顶板岩层控制设计[j].岩石力学与工程学报，2000（9）.
5] 华心祝，马俊枫，许庭教。沿空留巷巷旁锚索加强支护与参数优化[j].煤炭科学技术，2004（8）.