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《高地应力沿空留巷“卸压—让压”协同控顶机理研究》篇一一、引言在矿山工程中，高地应力环境下的沿空留巷技术是一项关键技术，它涉及到矿体开采的安全与效率。
在这样复杂的地应力条件下，如何有效地控制巷道顶板的稳定性和安全性，成为了一个重要的研究课题。
本文旨在深入探讨“卸压—让压”协同控顶机理在高地应力沿空留巷中的应用，分析其作用机制和效果，为实际工程提供理论依据。
二、高地应力环境下的沿空留巷特点在高地应力环境下，沿空留巷面临着更为严峻的挑战。
地应力的作用使得巷道顶板承受着巨大的压力，容易出现变形、破裂甚至坍塌的情况。
传统的支护方式往往难以应对这种高强度的地应力，因此需要探索更为有效的控顶技术。
三、“卸压—让压”协同控顶技术概述“卸压—让压”协同控顶技术是一种新型的控顶技术，它通过合理布置支护结构，使得地应力能够得到有效释放和转移，从而减轻对巷道顶板的压力。
该技术主要包括卸压和让压两个部分，通过二者协同作用，实现对巷道顶板的稳定控制。
四、“卸压—让压”协同控顶机理研究（一）卸压机理研究卸压是通过在巷道周围布置适当的卸压结构，如卸压槽、卸压孔等，使地应力能够通过这些结构得到有效释放。
通过合理的卸压结构设计，可以改变地应力的传递路径，减少对巷道顶板的直接作用力，从而降低其承受的压力。
（二）让压机理研究让压是通过布置合理的支护结构，使地应力能够得到一定程度的分散和转移。
让压结构一般采用可变形、可压缩的材料制成，当地应力作用于支护结构时，这些材料能够产生一定的变形和压缩，从而吸收地应力的能量，减少对巷道顶板的冲击。
（三）协同控顶机理“卸压—让压”协同控顶机理是指将卸压和让压两种技术相结合，通过二者的协同作用实现对巷道顶板的稳定控制。
在具体应用中，需要根据地质条件和工程需求，合理布置卸压和让压结构，使二者能够相互补充、相互协调，共同实现对巷道顶板的稳定控制。
五、应用效果分析通过实际工程应用，“卸压—让压”协同控顶技术能够显著提高巷道顶板的稳定性和安全性。
坚硬顶板回采巷道支护技术研究随着我国煤炭开采的深入，煤矿深部开采面临着越来越严峻的顶板管理问题。
坚硬顶板回采巷道是煤矿井下采煤作业中的一种常见工作面形式，具有矿层厚、工作面坡度大、顶板硬度高等特点，顶板稳定性和巷道支护技术成为了亟待解决的问题。
为了确保煤矿生产的安全和高效开采，研究坚硬顶板回采巷道支护技术显得尤为重要。
一、坚硬顶板回采巷道的特点1. 顶板硬度高：坚硬顶板回采巷道通常在煤层的煤与顶板之间存在着硬软组合层，顶板的硬度高，常常需要采取较大的支护措施。
2. 巷道长度长：在坚硬顶板回采巷道中，巷道长度往往较长，需要考虑巷道的整体稳定性。
3. 巷道规模大：由于煤矿深部开采的特点，坚硬顶板回采巷道的规模往往较大，需要对巷道进行全面的支护工作。
二、坚硬顶板回采巷道支护技术难点1. 顶板支护难度大：顶板硬度高，支护难度大，常常需要较大的支护措施。
2. 搭设支护设备困难：巷道长度长，规模大，搭设支护设备困难，需要寻求新的支护技术手段。
3. 巷道整体稳定性难以保障：巷道整体稳定性需要全面考虑，传统的支护技术无法满足其整体稳定性的需求。
三、坚硬顶板回采巷道支护技术研究现状目前，国内外对坚硬顶板回采巷道支护技术的研究一直在不断深入。
在巷道支护材料方面，引入了新型的高分子材料，提高了巷道的整体稳定性；在支护设备方面，开发了更加适应坚硬顶板回采巷道的新型支护装备，提高了支护的效率；在支护理论方面，提出了更加系统和完善的支护方案，为坚硬顶板回采巷道的支护提供了更多的理论支持。
目前坚硬顶板回采巷道的支护技术研究仍然存在以下问题：1. 对顶板支护材料的研究不足：目前对于顶板支护材料的研究较少，需要深入研究顶板支护材料的适用性和性能。
2. 对支护设备的研究不够深入：目前支护设备的研究相对滞后，需要进一步研发更加适应硬顶板的支护设备。
3. 对巷道整体稳定性的研究不够系统：对于巷道整体稳定性的研究相对薄弱，需要建立更加系统的巷道整体稳定性评价方法。
第 54 卷第 3 期2023 年 3 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.3Mar. 2023倾斜厚层坚硬顶板条件下沿空留巷稳定性控制朱永建1, 2, 3，任恒3，王平1, 2，李鹏3，王希之3，魏明星3(1. 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭，411201；2. 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201；3. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭，411201)摘要：针对倾斜厚层坚硬顶板条件下综采工作面沿空留巷技术难题，采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段，揭示倾斜厚层坚硬顶板采场覆岩运移规律，分析预留巷道多次扰动影响下倾向及走向方向顶板垂直应力分布特征。
根据切顶留巷围岩应力分布规律，将沿空巷道分为“原岩应力区、超前应力增高区、滞后应力增高区、滞后应力稳定区”4个区域，提出巷内围岩支护原则，并基于区域特征，设计分区支护留巷方案，并成功应用于柏林煤矿−2446(k26)沿空巷道。
研究结果表明：优化岩块B 长悬臂梁结构是留巷成功的关键，通过切顶卸压留巷技术手段，可减小巷旁支护体及实体煤帮压力，沿空巷道支护效果良好，证明倾斜厚层坚硬顶板切顶留巷关键技术是可行的。
关键词：顶板；预留巷道；垂直应力；切顶卸压；围岩控制中图分类号：TD313 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）03-0956-11Stability control of gob-side entry retention under the condition ofinclined thick layer and hard roofZHU Yongjian 1, 2, 3, REN Heng 3, WANG Ping 1, 2, LI Peng 3, WANG Xizhi 3, WEI Mingxing 3(1. Work Safety Key Lab on Prevention and Control of Gas and Roof Disasters for Southern Goal Mines,Xiangtan 411201, China;2. Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines of Hunan Province, Hunan University of Science andTechnology, Xiangtan 411201, China;3. School of Resource ＆ Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201, China)收稿日期： 2022 −06 −08； 修回日期： 2022 −08 −10基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金面上资助项目(51774130，52174110)；湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30273)；湖南省研究生创新项目(CX20200985)(Projects(51774130, 52174110) supported by surface Program of the National Natural Science Foundation of China; Project(2021JJ30273) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(CX20200985) supported by the Graduate Student Innovation Program of Hunan Province)通信作者：任恒，博士研究生，从事岩石力学与岩层控制研究；E-mail:*****************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.03.014引用格式： 朱永建, 任恒, 王平, 等. 倾斜厚层坚硬顶板条件下沿空留巷稳定性控制[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(3): 956−966.Citation: ZHU Yongjian, REN Heng, WANG Ping, et al. Stability control of gob-side entry retention under the condition of inclined thick layer and hard roof[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(3): 956−966.第 3 期朱永建，等：倾斜厚层坚硬顶板条件下沿空留巷稳定性控制Abstract:Aiming at the technical difficulties of retaining roadways along goafs in fully mechanized mining faces under the condition of inclined thick layers and hard roofs, theoretical analysis, numerical simulation, on-site monitoring and other methods were used, and the law of overlying strata migration in the stope with sloping thick and hard roof was revealed. By cutting the roof to relieve the pressure and retaining the roadway, the pressure on the roadside support body and the solid coal bank was relieved. The vertical stress distribution characteristics of the inclined and strike direction of the reserved roadway under the influence of multiple disturbances was analyzed. According to the stress distribution law of the surrounding rock of the cut-top roadway, the roadway along the goaf was divided into four areas, i.e., the original rock stress zone, the advanced stress increase zone, the lagging zone, stress increase zone and hysteresis stress stability zone. The principle of surrounding rock support in the roadway was put forward, and based on the regional characteristics, the plan of partition support and roadway retention was designed and successfully applied in the Bolin Coal Mine-2446(k26) along the empty roadway. The results show that optimizing the B-long cantilever beam structure of rock block is the key to the success of roadway retention. Through the technical means of cutting the top, pressure unloading and retaining the roadway, the alley side support body and solid coal support pressure can be reduced with good support effects, which proves the feasibility of the key technology of cutting and retaining the roadway with the inclined thick and hard roof.Key words: roof; reserved roadway; vertical stress; cut roof pressure relief; surrounding rock control以往在开采煤炭时，通常采取留设大煤柱的方式保证围岩稳定，这造成煤炭资源浪费[1]，同时，留设煤柱易形成应力集中，带来冲击地压、煤与瓦斯突出等一系列灾害，这显然不满足煤炭的绿色、科学、可持续开采要求[2−4]。
沿空留巷巷旁支护技术与支护材料【摘要】本文主要阐述了沿空留巷巷旁支护类型、人工砌块巷旁支护技术、高水充填材料等问题。
【关键词】沿空留巷；巷旁支护；技术；材料1、沿空留巷巷旁支护类型目前，在应用沿空留巷时，绝大部分都设置巷旁支护。
它的作用是利用高阻力去支撑冒落带边缘的顶板载荷，以分担和减轻巷内支架的受载，同时利用它的可缩性限制巷道与采空区交界处的顶板下沉量，防止巷内支架产生严重的变形；隔离或密闭采空区，避免漏风和煤的自然发火，防止采空区中的有害气体进入工作面空间。
目前外应用较广泛的巷旁支护有矸石块、密集支柱、混凝土砌块、硬石膏充填带和高水材料充填等。
科学合理的巷旁支护可以可靠地保持沿空巷道处在良好的维护状态，具有技术优势和经济效益。
（1）可及时地、高阻力地支撑采空区边缘的顶板载荷，以实现分担和减轻巷内支架承受的重载荷，使巷内支架不折损或减少折损，保持巷道的有效断面；（2）有良好的切顶能力，特别是在周期来压严重或在坚硬不易冒落的顶板条件下，巷旁支护体起着切顶作用；（3）有小于巷内支架下缩量的可缩量，使保护巷内支架不产生严重变形而破坏；（4）有较好的隔离或密闭采空区的能力，尤其是对自然发火或瓦斯含量太的煤层，更有积极的作用；（5）支护工艺简单，对实现机械化有利，劳动强度较小；有良好的经济效益；对煤层厚度、倾角、顶底板状况等地质条件的适应性强。
2、人工砌块巷旁支护技术2.1 砌块材料成分沿空留巷巷旁支护材料的强度和可缩性是两个重要指标。
理想的巷旁支护材料要满足强度和可缩性要求，较好地隔离采空区，它方便运输和施工，具有防火、防水性能，建造和维护费用低。
实验表明：用以下材料配制人工砌块巷旁支护材料经济可行：骨料采用煤矸石、炉渣、飞灰及砂土等，胶结剂采用石膏、水泥、熟石灰等，填料使用锯末、泡沫塑料等。
若单独采用脆性材料，如矸石砖、料石砌块、石膏或混凝土块等，作为巷旁支护，尽管强度高，而韧性和可缩性较差；若在层间加木板，强度尽管降低，而可缩性大大提高。
深孔爆破预裂厚硬顶板在沿空留巷中的应用摘要：随着开采向深部推进，地应力也呈增大趋势，导致巷道围岩变形，支护困难。
同时，大量生产矿井仍采用传统的留煤柱布置巷道的方法，工作面回采后，宽阔的煤柱在工作面形成应力集中区，使得布置在其下方的巷道难以维护。
与传统煤柱法相比，采空区巷道可以不使用煤柱，从而消除了煤柱引起的应力集中现象。
然而当工作表面覆岩层厚层坚硬顶板，矿业的脸后将形成一个大的悬垂结构、围岩应力增加附近沿空巷，填充墙在负载较大，动态压力可能导致的影响下填充墙倒塌，围岩的变形严重，无法满足需求的二次回采，巷道围岩的稳定控制是很困难的。
关键词：深孔爆破；预裂厚硬顶板；沿空留巷；应用1深孔爆破强制放顶卸压机理1.1沿空留巷采空侧顶板破断规律随着工作面向前回采，上覆直接顶随采发生垮落下沉变形，最终导致与其上部老顶的离层，受直接顶垮落的影响，老顶断裂后发生回转变形或弯曲下沉，在工作面采空侧形成“砌体梁”式的铰接结构，垂直于工作面回采方向进行切面，则可得到如图1所示的沿空留巷采空侧顶板破断结构。
图1沿空留巷采空侧顶板破断结构若老顶厚度较大且岩层坚硬时，该岩梁抵抗破断的能力较强，则会沿空留巷采空侧形成长度较大的悬臂梁结构（块体B）。
沿空留巷巷旁充填墙体位于采空侧悬臂结构的下方，厚长的悬臂岩梁会对充填墙体施加较大载荷，导致充填墙体处于高应力状态，若超过其承载强度极限，则可能导致充填墙体发生较大的变形破坏，造成留巷围岩失稳，因此块体B的尺寸对留巷围岩结构稳定起着重要的影响。
块体B的结构尺寸主要有3个基本因素：老顶采空侧断裂跨度D、老顶沿回采方向长度L、老顶厚度h。
其中：L可按老顶周期来压步距取值；h为老顶层厚；D的取值与工作面宽度S和老顶周期来压步距L有关，可按式（1）计算：由上式可知，采空侧老顶的悬臂结构值越大，则使顶板切落所需的巷旁充填体支护阻力越大，因此，可以通过采取措施控制悬臂结构的长度，来优化巷旁充填体应力环境，降低其所受压力。
1 沿空留巷巷旁支护主要方式1.1 木垛巷旁支护木垛巷旁支护曾在我国得到了广泛应用，其形式多为单排木垛，具有支撑面积大、可靠性高、架设灵活便捷、劳动力投入少等优点，同时也具有木材消耗多的不足。
木垛巷旁支护属于晚支撑支架，不适用于巷道的早期支撑，并且其可压缩量极大，可达50%~60%，不具备切断采空区顶板的作用。
近年来随着人们环境保护意识的增强，为了降低林木的消耗，该支护方式的应用越来越少。
1.2 密集支柱巷旁支护密集支柱巷旁支护属于刚性支护范畴，与木垛巷旁支护技术相比，其具有可收缩量少、早起支撑效果好，支护过程劳动强度低等优点，但是密集支柱巷旁支护将会消耗大量的材料且不能回收复用。
当遇到顶底板较软或者沿空巷道两帮下沉不均匀时，密集支柱容易出现倾斜，失去支护作用，同时随着采高的增大，会增加密集支柱的架设难度及不稳定性，因此该方式仅适用于顶板岩石中等稳定以上，采高范围2.2 m之下的薄煤层及中厚煤层中使用。
1.3 研石带巷旁支护巷旁支护应用最广的方式当属研石带巷旁支护，其具有支护材料用量低、隔离采空区、承载的面积大、支护稳定性高等优势，但是研石带的堆砌会增加工人的劳动强度。
研石带支护属于宽幅、大可收缩量和晚支撑范畴，压缩量可达40%左右，因此早期支护能力差，其适用于大韧性缓慢下沉的顶板，煤层厚度小于1.5 m的矿井。
2 沿空留巷巷旁支护技术方案设计2.1 单排密集支柱巷旁支护单排密集支柱巷旁支护技术采用的支柱直径为15 cm，支柱材质为松木。
直径为15 cm的松木处于含水率为10%~15%的干燥空气中时，其抗压强度指标约为37 MPa，作为支柱使用时的最大承载能力为400 kN，具体的沿空留巷巷旁支护技术方案布置如图1所示。
该方案中的巷旁宽度为0，巷旁的支护阻力为2 017 kN/m，支护可缩量数值为23 cm，计算得出单个木柱承受的压力强度为13.45 MPa，可见该方案能够满足工作面沿空留巷巷旁支护强度和可压缩量的要求。
综采工作面沿空留巷支护技术摘要：切顶卸压的原理及聚能爆破机理，结合留巷参数，设计聚能爆破钻孔布置参数、爆破材料及爆破方案。
根据沿空留巷聚能爆破方案应用后的效果分析可知，巷道切顶后控制了留巷围岩变形，保障了充填体的稳定。
本文对综采工作面沿空留巷支护技术进行分析，以供参考。
关键词：综采工作面；沿空留巷；支护技术引言留巷现有支护及施工工艺，得出留巷在现有支护下围岩变形量大，其中煤帮变形严重，基于留巷变形特征，设计在煤帮采用注浆加固的补强支护，根据煤帮注浆方案实施后，留巷期间围岩变形分析得出，补强支护实施后，围岩变形得到有效控制，保障了沿空巷道围岩的稳定。
1切顶卸压当顶板岩层为坚硬岩层时，随着工作面回采作业的推进，顶板悬露的长度会不断增大，当顶板悬露长度达到垮落极限时，大面积悬顶的岩层会发生突然断裂现象，岩层的突然断裂会产生冲击荷载，其会作用到巷道围岩上，导致围岩出现冲击性的破坏，这会严重影响工作面的安全开采和巷道围岩的稳定。
沿空留巷作业时，当坚硬顶板在采空侧难以及时垮落时，采空区出现大面积悬顶现象。
随着工作面回采作业的进行，顶板岩层逐渐回转下沉，其产生的垂直应力和水平推力会全部作用到巷道围岩和充填体上。
随着工作面回采作业的进行，坚硬顶板在充填体支护阻力和采动应力的影响下会沿着切顶线出现断裂，有效减小顶板的悬露长度，降低顶板岩层作用在巷道围岩及充填体上的压力，保障巷道围岩的稳定，缓解应力集中的问题。
2厚煤层留巷围岩控制关键技术2.1留巷断面优化分析在弹性力学条件下，矩形巷道断面围岩的最大应力与原岩应力场的大小及分布以及道路形状密切相关，而与岩体的弹性模量Ｅ、泊松比μ等力学参数无关。
因此，在采场应力及大结构难以改变的前提下，研究分析巷道的几何形态及参数，对提高留巷围岩结构稳定性具有重要意义。
一般认为，大跨度巷道宽度大于４．４ｍ。
煤层巷道在不受较大采动影响时，可以将巷道跨度适当加大，以满足综采工作面通风及设备运输的要求。
