我國沿空留巷圍巖控制技術研究進展與展望

張自政 ， 柏建彪 ， 王襄禹 ， 徐 營 ， 閆 帥 ， 劉洪林 ， 吳文達 ， 張偉光

(1.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南 湘潭 411201；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 江蘇 徐州211116；3.新疆工程學院 礦業與地質工程學院, 新疆 烏魯木齊 830023；4.新疆大學 地質與礦業工程學院, 新疆 烏魯木齊 830047；5.太原理工大學礦業工程學院, 山西 太原 030024)

沿空留巷技術是無煤柱開采的重要途徑之一，是在工作面回采期間，通過有效的支護技術，將本工作面的回采巷道保留下來[1]。因此，其技術優越性體現在以下幾方面[2]：① 降低巷道掘進率、緩解采掘接替緊張、提高煤炭采出率；② 針對煤層群開采，取消遺留煤柱引起的應力集中或動力災害等；③ 提供本煤層和鄰近煤層瓦斯治理場所，解決上隅角瓦斯積聚問題，優化巷道作業環境等。

20 世紀歐洲主要采煤國家蘇聯、英國、德國、波蘭相繼開展煤礦沿空留巷技術研究與應用，2018 年德國關閉最后一座煤礦，進入21 世紀俄羅斯仍在部分煤礦開展沿空留巷技術應用。我國煤礦沿空留巷技術研究與應用已超過60 a，尤其是20 世紀80 年代后我國大力推行綜合機械化開采和煤礦巷道錨桿支護技術后沿空留巷得到快速發展。2010 年以來，何滿潮院士提出雙向聚能張拉爆破切頂卸壓沿空留巷并逐步提出110 工法和N00 工法，在部分煤礦得到良好的應用與發展[3]。

筆者分析我國沿空留巷技術的主要類型、沿空留巷圍巖穩定原理、沿空留巷圍巖控制技術；介紹沿空留巷最新應用案例，并提出沿空留巷技術發展展望。

1 我國沿空留巷技術研究進展

1.1 我國沿空留巷技術主要類型

自20 世紀50 年代沿空留巷在我國開始應用以來，生產地質條件復雜導致沿空留巷技術類型形式多樣。根據沿空留巷留下巷道是否復用，沿空留巷可分為常見用作鄰近工作面回采巷道的沿空留巷(圖1(a))和階段式沿空留巷(圖1(b))；階段式沿空留巷主要應用于高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井工作面實行多進多回的通風方式(如大寧煤礦“五進兩回”[4]、余吾煤業“三進一回”[5])。階段式沿空留巷與普通沿空留巷相比具有以下特點：① 所留巷道較短，為2 個聯絡巷之間的距離，通常不超過150 m；② 留巷用途不同。該留巷僅用作與外U 型巷道保持通風順暢即可，而一般留巷需要滿足第2 個工作面的使用要求；③ 留巷成本要求較低。因留巷長度較短，僅經幾個周期來壓的影響，達到后即廢棄，不經受第2 個工作面采動的影響，因而要求留巷成本較低。

圖1 典型沿空留巷類型Fig.1 Typical GER types

根據沿空留巷是否構筑充填墻體，用作鄰近工作面回采巷道的沿空留巷可分為充填式沿空留巷和切頂式沿空留巷(110/N00 工法)。根據切頂方法，切頂式沿空留巷主要有超前密集孔切頂[6]、超前爆破預裂切頂[7-8]、超前水力壓裂切頂[9]、超前鏈臂鋸機械切頂[10]。根據充填墻體構筑材料和構筑形式，充填式沿空留巷可分為金屬支柱巷旁支護沿空留巷、木垛墻體沿空留巷、矸石袋墻沿空留巷[11]、砌塊沿空留巷[12]、混凝土充填沿空留巷(柔模混凝土[13]、普通混凝土[14]、鋼管混凝土[15-17])、膏體混凝土充填沿空留巷[18](CHCT 充填沿空留巷[19-20])、高水材料充填沿空留巷[21]、高水材料灰渣充填沿空留巷[22]、墩柱沿空留巷[23]、充填開采矸石充填沿空留巷[24-26]等。

(1)密集鉆孔切頂沿空留巷。密集鉆孔切頂沿空留巷是超前工作面在采空區側頂板采取密集大直徑鉆孔構造人工非連續弱化帶，經過超前支承應力作用后，采空區頂板沿人工非連續弱化帶垮落充填采空區，巷內頂板則保持穩定。河南古漢山煤礦底分層15032 工作面運輸巷成功實施了密集鉆孔切頂沿空留巷，鉆孔的傾斜角度為80°，鉆孔深度為18 m，鉆孔間距(中–中)為200 mm、鉆孔直徑為50 mm[6]。

(2)爆破預裂切頂沿空留巷。爆破預裂切頂沿空留巷是工作面煤層回采前在回采巷道沿即將形成的采空區側定向爆破預裂切頂，同時采用加強支護回采巷道頂板圍巖，待工作面回采后在礦山壓力作用下沿切縫將頂板切落形成巷幫。河南城郊煤礦21304 工作面軌道巷成功實施了爆破預裂切頂沿空留巷，爆破孔與豎直方向夾角15°，孔深8 m，炮孔間距600 mm，超前工作面一定距離進行雙向聚能拉伸爆破[3]。

(3)金屬支柱巷旁支護沿空留巷。金屬支柱巷旁支護沿空留巷是在工作面回采后沿采空區架設密集金屬支柱充當巷旁支護作用并實現切落一定高度頂板、阻擋采空區冒落矸石，進而將巷道保留下來。該類型留巷后來結合切頂沿空留巷思想還發展成密集單體液壓支柱或者垛式單元支架配合U 型鋼等沿著留巷巷道邊緣布置，利用金屬支護的切頂作用和擋矸作用形成金屬支柱切頂沿空留巷。山西老母坡煤礦3101 薄煤層工作面成功實施了金屬支柱巷旁支護沿空留巷。巷旁采用單體液壓支柱(工作阻力250 kN)配合鉸接頂梁和十字鉸接頂梁順巷布置，巷內布置3排輔助單體支柱，柱距500 mm，單體液壓支柱穿復合鐵鞋[27]。

(4)木垛墻體沿空留巷。木垛墻體沿空留巷是在工作面回采后沿采空區堆疊一定寬度的木垛墻體充當巷旁支護作用，進而將巷道保留下來。木垛巷旁支護具有成本低、勞動強度低、較靈活等優點；其缺點是可縮量大、支護阻力較小、不易控制巷道變形、不能有效隔離采空區、木材損失量大，僅適用于薄煤層。山西柳泉煤礦7103 工作面沿空留巷工程在充填體兩側使用單體液壓支柱和打木垛的技術作為臨時支護及在采空區側采用錨索加強支護的支護技術手段進行沿空留巷，效果良好。

(5)矸石袋墻沿空留巷。矸石袋墻沿空留巷是在工作面回采后沿采空區堆疊一定寬度的矸石袋充當巷旁支護作用，進而將巷道保留下來。矸石帶巷旁支護缺點為墻體初撐力小，初期受壓變形量大，勞動強度大且隔離采空區效果差。山東王樓煤礦11307 綜采工作面運輸巷成功實施了矸石袋墻沿空留巷[11]，巷旁采用了4.0 m 寬錨栓網帶矸石袋墻。

(6)砌塊沿空留巷。砌塊沿空留巷是在工作面回采后沿采空區堆疊一定寬度的砌塊墻體(常為地面制作混凝土砌塊)充當巷旁支護作用，進而將巷道保留下來。混凝土砌塊巷旁支護的優點是增阻速度快、支護阻力大、切頂效果好、隔離采空區效果好；缺點是可縮量較小、成本高、勞動強度大。山西沙曲礦24202工作面成功實施了混凝土砌塊沿空留巷，砌塊墻體采用一順一丁砌筑方式(砌塊強度12.3 MPa)[12]。

(7)柔模混凝土沿空留巷。柔模混凝土沿空留巷是指在工作面回采后沿采空區構筑一定寬度的柔模混凝土墻體充當巷旁支護作用，進而將巷道保留下來。柔模混凝土支護具有支護強度高、墻體構筑工藝相對復雜的特點，易出現支護體切頂問題。陜西榆家梁煤礦43308 工作面成功實施了柔模混凝土沿空留巷[13]。

(8)鋼管混凝土沿空留巷。鋼管混凝土沿空留巷是利用鋼管混凝土結構的高承載力低成本優勢，結合矸石袋墻體，形成以鋼管混凝土墩柱為主承載體、矸石墻為輔助保護體的巷旁支護體，進而將巷道保留下來。內蒙古長城煤礦1903 北回采工作面成功實施了鋼管混凝土[17]。

(9)膏體混凝土充填沿空留巷。膏體混凝土充填沿空留巷是指在工作面回采后沿采空區構筑一定寬度的膏體混凝土墻體充當巷旁支護作用，進而將巷道保留下來。膏體材料與混凝土材料類似，最終強度同樣與水泥用量有關，但膏體材料不含粗骨料，主要為粒徑小于0.25 mm 的細粒及混合料，具有更好的可泵性。山西沙曲礦424207 工作面成功實施了膏體混凝土充填沿空留巷[28]。

(10)高水材料充填沿空留巷。高水材料充填沿空留巷是指在工作面回采后沿采空區構筑一定寬度的高水材料充填體作為巷旁支護，進而將巷道保留下來，分為高水材料凈漿充填和高水材料灰渣充填2 種。山西新元煤礦3107 工作面成功實施了高水材料充填沿空留巷[29]。

(11)充填開采矸石充填沿空留巷。充填開采矸石充填沿空留巷是指工作面采用矸石充填開采，同時在工作面回采充填后沿采空區構筑一定寬度的矸石墻體作為巷旁支護，進而將巷道保留下來。山東花園煤礦1316 矸石充填工作面成功實施了矸石充填沿空留巷。

沿空留巷的典型應用場景及應用效果可詳見表1。

表1 沿空留巷的典型應用場景及應用效果Table 1 Typical application scenarios and application effects for GER

1.2 沿空留巷圍巖穩定原理

研究實踐表明[38]，掘進階段待留巷巷道圍巖變形較小，超前采動應力作用階段受本工作面采動影響待留巷巷道變形增大，留巷階段受本工作面滯后支承應力調整和覆巖劇烈運動留巷巷道變形迅速增大；二次回采階段受鄰近工作面超前采動應力作用復用巷道變形進一步增大。圖2 給出了沿空留巷全周期內圍巖變形量、變形速率和留巷頂板應力演化普適性規律。由圖2 可知，沿空留巷圍巖穩定跟頂板巖層運動特征息息相關。

圖2 沿空留巷全周期內圍巖變形量、變形速率和應力演化規律Fig.2 Deformation amount, deformation rate, and stress evolution of surrounding rock during the GER full cycle

1.2.1 沿空留巷頂板巖層運動特征

沿空留巷頂板巖層運動具有明顯的階段特征。根據時間或者沿空留巷頂板巖層運動可以劃分為多個階段。表2 給出了不同學者對于沿空留巷頂板巖層運動劃分及相應特征。

表2 沿空留巷各時期頂板巖層活動特征Table 2 Roof strata movement features during different GER stages

由此可見，沿空留巷頂板破斷模式尚未有統一認識。一部分學者(孫恒虎、漆泰岳等)認為留巷基本頂首先在采空區側受充填體切頂作用發生一次破斷，在實體煤側受基本頂旋轉下沉作用發生二次破斷；另一部分學者(陳勇、柏建彪等)認為受工作面周期來壓影響留巷基本頂首先在實體煤側發生一次破斷，在采空區側受充填體切頂作用發生二次破斷。沿空留巷頂板破斷模式跟上覆堅硬巖層厚度及強度、煤層開采條件、充填體支護阻力等多個因素均有關系。對于切頂卸壓沿空留巷來說，由于在采空區側人工超前預裂基本頂，留巷后基本頂巖梁將在采空區一側預裂面發生破斷。

沿空留巷頂板運動特征是不同時期沿空留巷巷內支護、巷旁支護參數確定的重要依據，也是建立適宜沿空留巷圍巖力學模型的基礎。

1.2.2 沿空留巷圍巖力學模型

上述分析可見，沿空留巷圍巖穩定性跟頂板側向破斷結構息息相關，留巷圍巖穩定時間同時跟頂板側向破斷結構穩定和主控關鍵層結構穩定有關。因此，在設計充填式沿空留巷巷旁支護力學參數時，眾多學者建立了一些相關的沿空留巷圍巖力學模型，包括分離巖塊法、傾斜巖梁法、疊加層板法、彈性薄板頂板運動力學模型、弧形三角塊穩定法、結構協調承載力學模型等。各沿空留巷圍巖力學模型主要假設和支護阻力計算式見表3。

表3 沿空留巷圍巖力學模型、主要假設和支護阻力計算式Table 3 Mechanical model, main assumptions, and calculation formula of support resistance of surrounding rock for GER

可見，我國學者根據不同工況下沿空留巷特點和留巷頂板運動特征，建立了相應的留巷圍巖力學模型，得到了不同頂板運動時期的充填體所需支護阻力計算式，為沿空留巷巷旁支護關鍵參數設計和留巷圍巖變形預計提供了理論基礎。

(1)沿空留巷圍巖變形、受力和穩定性受工作面端頭處形成的“弧形三角板(塊)”穩定性制約，沿空留巷圍巖力學模型建立、充填體支護參數確定均需考慮“弧形三角板(塊)”的形成與穩定運動。

(2)無論基本頂是否出現“二次破斷”現象，絕大部分學者認為基本頂在實體煤幫一側的斷裂位置位于實體煤幫彈塑性分界處。

(3)沿空留巷所需巷旁充填體支護阻力處于變化。在沿空留巷初期，即采空區側基本頂破斷前，巷旁充填體要有快速增阻和一定支護強度；在基本頂破斷或者主控關鍵層破斷前后，巷旁充填體要有足夠的支護強度和適量的可縮量。

1.3 沿空留巷巷內支護技術發展現狀

1.3.1 沿空留巷巷內基本支護形式

煤礦巷道支護主要分為主動支護和被動支護2 種形式。其中木支護、砌碹支護、型鋼支護均為被動支護；錨桿(索)支護為主動支護形式。早期沿空留巷巷內基本支護形式主要為型鋼支護(工字鋼棚、U 型鋼棚)，該類支護形式支護阻力小、可縮量有限，難以適應留巷階段圍巖大變形，巷道維護效果差，導致復用前還需進行大量返修工作。20 世紀90 年代我國引進澳大利亞錨桿支護技術后，煤巷錨桿支護大大提高，錨桿支護成為回采巷道的主要基本支護形式。在此之后，我國沿空留巷巷道巷內支護基本以錨桿(索)支護為主，局部破碎地段型鋼加強支護。受強烈采動影響的沿空留巷，圍巖變形速度快、變形量大、破碎區大，沿空留巷巷內支護需要采用高預緊力、高強度的錨桿(索)支護，通過高強錨桿與錨索施加高預緊力，并有效擴散到圍巖，有效控制圍巖中裂隙張開和新裂紋產生、結構面離層與滑動，保持留巷圍巖在服務期間的完整性。

1.3.2 沿空留巷巷內錨桿支護機理及設計

錨桿支護對沿空留巷圍巖的支護機理主要體現在以下3 個方面：

(1)錨桿支護提高沿空留巷圍巖承載能力。錨桿支護作為主動支護，有效提高錨固體的峰值強度和殘余強度，提高圍巖自身承載能力[52-53]。具體來說一方面通過錨桿(索)將留巷巷道頂板組合成整體提高錨固范圍內巖層的抗彎彎矩，增大了頂板的承載能力，尤其是通過錨索發揮頂板深部巖層承載能力[54]；另一方面通過錨桿(索)甚至注漿提高留巷實體煤幫的峰值強度，進而提高實體煤幫的承載能力[55]。

(2)錨桿支護提高沿空留巷圍巖抗變形能力。錨桿自身具有較大的延伸率，在保持高支護阻力的同時，允許并能適應巷道圍巖大變形，釋放圍巖變形能[56]。具體來說，錨桿(索)支護在保持對圍巖高阻力支護的同時，將巷道頂板組合成整體，控制了頂板層間離層，減小留巷期間基本頂的旋轉下沉帶來的“給定變形”[57]；錨桿(索)支護通過提高實體煤幫抗變形能力，減小實體煤幫塑性區范圍，向煤幫深部轉移了留巷期間基本頂的破斷位置，減小頂板下沉量和充填體載荷[58]；對于部分留巷巷道，采用錨桿加固底板與巷幫底角區域提高底板的抗變形能力，減小底臌[59-60]。

(3)錨桿支護降低沿空留巷巷旁支護需求。對于充填沿空留來說，采用錨桿支護的留巷頂板完整性好，可以有效傳遞充填體支護阻力，與充填體共同作用切斷采空區側一定高度的頂板；對于切頂沿空留巷來說，采空區邊緣的錨桿尤其是錨索支護具有明顯的“切頂”效應，可以有效降低超前預裂頂板的需求。

目前，沿空留巷巷內錨桿支護設計主要是沿用煤巷錨桿支護設計方法，傳統的懸吊、組合梁、組合拱等錨桿支護理論是根據處于彈性狀態的完整巖體提出的，而且適用于特定的條件。錨桿支護設計方法主要有工程類比法、理論計算法、數值模擬分析法。動態系統設計方法是以數值模擬為主，并輔以工程類比和理論計算的一種綜合方法，是目前煤巷錨桿支護設計的主要方法[53,61-62]。具體來說，韓昌梁[63]、唐建新[64]等提出以控制留巷巷內直接頂離層為指標的巷內頂板支護載荷理論計算方法；陳勇[51]提出以錨固區實體煤幫的極限平衡狀態為指標的實體煤幫錨桿支護載荷理論計算方法。沿空留巷巷內錨桿支護載荷計算式見表4，計算流程如圖3 所示。

表4 沿空留巷巷內錨桿支護載荷計算Table 4 Calculation of road-in bolt support load for GER

圖3 沿空留巷巷內錨桿支護設計流程Fig.3 Design process of road-in bolt support for GER

1.3.3 沿空留巷巷內加強支護

對于沿空留巷，不僅受到本工作面超前支承應力作用，更受到留巷后工作面滯后支承應力的動壓作用；而無論是充填沿空留巷還是切頂沿空留巷，位于采空區邊緣的充填體需一定時間增阻或者矸石堆積體需一定時間壓縮平衡，因此均需要設置高阻力的加強支護，阻止頂板過大下沉和頂板巖層層間離層。目前，沿空留巷巷內加強支護形式主要有單體液壓支柱配合鉸接頂梁、單體液壓支柱配合長鋼梁、巷內加強支護液壓支架等，如圖4 所示。

1.4 沿空留巷巷旁支護技術發展現狀

1.4.1 沿空留巷巷旁支護及設計

根據充填墻體構筑材料，沿空留巷巷旁支護有木垛、金屬支柱、矸石袋、砌塊、混凝土、高水材料、鋼管混凝土墩柱等。根據充填墻體構筑材料力學特性可將巷旁支護分為剛性、有限可縮、大可縮量等。木垛、矸石袋巷旁支護均為大可縮量巷旁支護，支護阻力小；金屬支柱、砌塊、混凝土、鋼管混凝土墩柱巷旁支護均為有限可縮巷旁支護；高水材料巷旁支護屬于有限可縮巷旁支護，早期支護阻力大、塑性變形量大。為了實現充填體的有限可縮，寧建國[65]、徐金海[66]等還設計了不等強充填體(上軟下硬材料組合而成)支護，上部為讓壓接頂層，下部為高強承載層。

根據沿空留巷頂板巖層運動特征，結合多位專家提出的沿空留巷圍巖力學模型分析，沿空留巷巷旁支護機理主要體現在以下4 個方面：

(1)巷旁支護的高增阻速度。工作面推進后，后方構筑的充填體快速增阻達到一定的支護強度，阻止充填區域直接頂與上方巖層發生離層，保持整個頂板的完整性。同時，達到一定強度的巷旁支護沿充填體外側邊緣切頂直接頂等軟弱頂板巖層[67]。

(2)巷旁支護的高支護阻力。留巷達到一定長度后，充填體增阻達到長時強度(充填體高支護阻力)，在上覆巖層和充填體的共同作用下，采空區側基本頂甚至更上位巖層沿充填體邊緣被切斷，冒落的煤矸石能夠充填滿采空區。為保持留巷巷道在鄰近工作面復用期間具有一定的斷面大小，需要充填體具有較高的強度防止充填體出現較大變形。

(3)巷旁支護的高塑性變形能力。巷旁支護無法阻止基本頂旋轉下沉帶來的“給定變形”。在基本頂下沉時充填體應具有高塑性變形能力，通過塑性變形讓壓適應基本頂的旋轉下沉，減少對巷旁支護的壓力，實現控頂載荷向側向煤體及采空區冒落矸石轉移。

(4)巷旁支護的良好密閉性能。

對于自然發火周期較短的煤層，沿空留巷充填體還應具有良好的密閉性能，充填體構筑期間能夠實現良好的接頂效果，防止采空區漏風與自然發火。

充填沿空留巷巷旁支護關鍵參數主要包括充填體支護阻力(充填體寬度和充填體強度)和充填體剛度。目前常見的充填體支護阻力理論計算方法有分離巖塊法、傾斜巖梁法、疊加層板法、彈性薄板頂板運動力學分析法、弧形三角塊穩定法、結構協調承載力學分析法等。實際上，為了提高巷旁支護效果，對于部分頂板條件不好的沿空留巷會在工作面液壓支架架間超前補打錨索或者液壓支架帶壓移架后迅速補打錨索加強支護，延緩待充填區域直接頂與上部巖層的離層[68]；對于那種隨采隨冒頂板，往往超前工作面開挖缺口(充填體寬度)并對缺口進行錨網支護[68]。

韓昌梁、張農等[69-70]指出“如何匹配各個部分(頂板、充填體和底板)的剛度以提高支撐系統抵抗變形的能力對于圍巖結構的穩定性至關重要”。為了確定合理的充填體剛度，建立了將直接頂、巷旁充填體和底板視為具有不同剛度的可變形體的關鍵層破斷大結構下“直接頂-墻體-底板”的巷旁支撐系統力學模型。

1.4.2 沿空留巷巷旁充填材料

根據公開的沿空留巷實踐文獻可知，常用的沿空留巷巷旁充填材料有以水泥混凝土為主的低水灰質量比膏體材料、以高水速凝材料為主的高水灰質量比充填材料兩大類，詳見表5。

表5 沿空留巷充填材料介紹Table 5 Introduction to filling materials for GER

1.4.3 沿空留巷巷旁臨時支護

沿空留巷充填體構筑期間，為了保障人工作業的安全和操作空間，往往在采空區存在一定寬度的臨時支護區域(一般不超過2～3 m)。目前，沿空留巷采空區臨時支護主要有密集單體支柱配合頂梁、專用沿空留巷采空區擋矸支架(圖5)。研究表明：在充填區域外側臨時支護區域，采用專用沿空留巷采空區擋矸液壓支架適當提高對頂板的臨時支護寬度有利于控制直接頂與上方頂板的離層變形[74]。

圖5 沿空留巷巷旁臨時支護形式Fig.5 Temporary support types for GER

1.5 沿空留巷適應性評價與圍巖穩定性監測

目前，全球礦業朝著數字化、信息化、智能化方向發展，自20 世紀90 年代學者們將人工智能技術等引入多個煤礦開采和掘進領域。然而，與金屬礦山人工智能技術相比，煤礦人工智能技術難度更大，主要原因在于開采煤層賦存條件復雜、開采技術條件多樣化，尤其是沿空留巷相關大數據積累不足。目前，沿空留巷人工智能研究較少，主要為數字化和信息化在沿空留巷當中的應用，集中在沿空留巷適應性評價和圍巖穩定性監測2 個方面(表6)。

表6 沿空留巷適應性評價與圍巖穩定性監測現狀及應用效果Table 6 Review of the adaptability evaluation and surrounding rock stability monitoring in GER development

1.5.1 沿空留巷適應性評價中的信息化與數字化

信息化與數字化技術在沿空留巷的適應性評價可以根據相關規定、統計數據和實踐經驗，調查每個等級的適應等級和范圍，并提供每個等級支持的方法。現有研究表明，影響沿空留巷適應性評判的因素復雜[75,77,79]。首先，合理選擇因素集是正確評判沿空留巷適應性的關鍵，在確定因素集時要遵循重要性原則、獨立性原則、可分性原則和普遍性原則等。其次，根據規范規定，結合煤層賦存情況，參照專家經驗，確定各個因素對應不同等級的指標區間，確定各個因素對應的指標值。最后選用合適的評判方法(模糊綜合評判法、物元評價法、神經網絡法等)，圖6 為采用模糊綜合評判法分析沿空留巷適應性流程。

圖6 沿空留巷適應性評價方法Fig.6 Adaptability evaluation method for GER

1.5.2 沿空留巷圍巖變形監測中的信息化與數字化

沿空留巷圍巖變形監測系統由信息感知、數據傳輸和數據智能處理平臺等子系統構成的復雜系統，能夠通過各種傳感器和智能數據處理平臺實現沿空留巷圍巖應力、圍巖位移和錨桿(索)應力等信息動態監測功能[78]。數據智能處理平臺常用的計算算法為CNN 卷積神經網絡、BP 神經網絡、RNN 循環神經網絡等人工神經網絡算法。目前人工神經網絡模型多達40 種，每種結構不盡相同，其能夠通過修正層與層之間的權系數來對欲解決的問題進行分類或預測。總體而言，采用不同的智能算法系統對圍巖變形進行實時動態監測，可以為智能預測圍巖變形情況提供參考價值。圖7 為人工智能在沿空留巷圍巖變形預測中的應用示意。

圖7 人工智能在沿空留巷圍巖變形預測中的應用示意Fig.7 Application of artificial intelligence in surrounding rock deformation prediction for GER

2 我國沿空留巷面臨的難題與挑戰

盡管我國在薄及中厚煤層、部分厚煤層工作面沿空留巷技術取得成功應用，但是復雜多變工程地質條件下沿空留巷一直是制約我國沿空留巷技術應用的重大難題。近年來，沿空留巷一次采全高工作面采高仍未能突破5 m，綜采放頂煤工作面沿空留巷煤層厚度少有超過7 m。例如，神東礦區大柳塔煤礦52605工作面運輸巷開展充填沿空留巷，開采52 煤層均厚4.3 m、埋深為99～238 m[80]；潞安礦區五陽煤礦7602綜放工作面開展充填沿空留巷，開采煤層平均厚6.0 m[81]；晉城礦區成莊礦4311 綜放工作面開展充填沿空留巷，開采3 號煤層，煤層平均厚度6.3 m，平均傾角3°，埋深348～479 m[82]。造成復雜多變工程地質條件下工作面沿空留巷圍巖穩定控制難的主要原因有：

(1)一次采全高工作面和綜放工作面開采煤厚度大、工作面推進速度快，礦山壓力顯現強烈，垮落帶高度大，上覆關鍵層形成的大結構穩定狀況直接影響下方沿空留巷圍巖的應力環境和穩定[50]。強礦壓工作面沿空留巷圍巖受覆巖大結構的旋轉下沉“給定變形”帶來的高應力作用，留巷圍巖穩定所需時間長。強礦壓工作面沿空留巷在覆巖運動不同時期下巷內支護和巷旁支護強度、支護時機仍未能形成系統理論。

(2)充填沿空留巷圍巖與支護體相互機制的理論認識仍然存在缺陷。特別是對充填沿空留巷基本頂是否存在二次破斷，以及二次破斷的先后順序缺乏嚴謹的理論認識，目前的結論大都是基于各種假設條件，影響了巷旁支護體相關參數的準確設計。

(3)巷旁支護體充填材料力學及變形特性尚不能適應深部、強礦壓工作面沿空留巷。目前常用的沿空留巷充填材料是高水充填材料和混凝土材料。其中，高水材料在1.5∶1 水灰質量比條件下峰值強度為10.4 MPa，無法僅靠充填體的支護阻力切斷足夠高度的頂板，常需要超前輔助切頂卸壓；用于沿空留巷的混凝土材料強度往往處于20～40 MPa 內，但是充填體可縮性較差不能適應較大的頂板旋轉下沉“給定變形”，存在巷內切頂或鉆底的威脅。

(4)沿空留巷底臌機理及控制技術尚不完善。受多次采動應力影響的沿空留巷底臌是所有回采巷道中最嚴重的[83]。目前，針對沿空留巷底臌主要認識有直接底壓曲、基本底撓曲、底板膨脹性軟巖底臌、軟巖底板向臨空側擠壓流動等[60,84-85]。

(5)強動載或沖擊地壓沿空留巷充填體穩定控制研究尚處于空白。目前，常用采空區下或上煤層遺留煤柱影響范圍內下煤層沿空留巷易受上覆巖層二次運動或遺留煤柱集中應力帶來的強動載顯現；多層堅硬頂板工作面沿空留巷易產生強動載或沖擊地壓危害。

(6)沿空留巷施工工藝比較復雜，施工機械化程度低，導致效率低、用人多、速度慢，不能滿足采煤工作面快速推進的要求。因此，沿空留巷施工工藝優化、施工設備機械化、自動化改造，甚至智能化升級是非常必要的。

3 我國沿空留巷儲備型技術與發展展望

降本提質、融入智能化礦山建設是沿空留巷技術持續推廣的關鍵。針對現階段我國沿空留巷技術應用面臨的難題和挑戰，筆者提出了幾項儲備型技術與展望。

3.1 沿空留巷圍巖控制儲備型技術

3.1.1 厚煤層綜放/一次采全高沿空留巷有控切頂-充填圍巖協同控制技術

目前切頂留巷一般采用聚能爆破切頂，成功應用于薄及中厚煤層。但是，厚煤層綜放/一次采全高工作面采出煤層厚、垮落帶高度大，切頂巖層厚度顯著增大，而聚能爆破切頂鉆孔間距一般0.5～0.8 m，厚煤層綜放/一次采全高切頂留巷的鉆孔量和炸藥消耗量大、留巷效率低、巷道穩定性差、次生動力災害風險高，而且隔離采空區性能差，易發生采空區遺煤自燃和瓦斯滲漏，切頂留巷在厚煤層綜放/一次采全高工作面應用較少。筆者團隊在獲批的2021 年區域創新發展聯合基金項目《綜放開采分組有控切頂沿空留巷基礎理論與關鍵技術研究》中提出了沿空留巷有控切頂–充填圍巖協同控制技術，即沿高度方向大范圍精準定向分組有控致裂切頂，沿采空區邊緣構筑狹窄的留巷隔離體，形成留巷隔離體–矸石組合幫協同承載并有效隔離采空區；有控切頂是指采用磨料射流沿鉆孔軸向切割導向縫、水壓致裂裂縫沿巷道軸向定向有控擴展、分組切斷厚層堅硬頂板，如圖8 所示。

圖8 厚煤層綜放/一次采全高沿空留巷有控切頂–充填圍巖協同控制示意Fig.8 Coordinated control of controlled roof cutting and filling for GER in fully mechanized caving/ full-seam mining in the thick coal seam

3.1.2 面向強礦壓工作面含外加劑改性高水材料沿空留巷技術

目前，高水材料在1.5∶1 水灰質量比條件下峰值強度為10.4 MPa，無法適應一些礦壓顯現劇烈的留巷工作面。然而，高水材料具有良好的塑性特性和高應變承載特性，具有沿空留巷巷旁支護所需要的可縮性。目前，熊祖強團隊開展了不同發泡劑、聚丙烯纖維、復合早強劑等類型外加劑改性高水材料試驗[86-87]，劉長武團隊開展了粉煤灰–電石渣雙摻、聚乙烯塑料(PE)改性高水充填材料物理力學性能研究[88-89]。常規高水材料沿空留巷技術在強礦壓工作面可能會面臨充填體支護強度不足的難題。因此，可根據不同外加劑類型及外加劑摻量開展改性高水材料力學特性及微觀實驗分析，根據不同工程地質條件下沿空留巷巷旁支護參數優選確定改性高水材料的外加劑類型及外加劑摻量。該類改性的高水材料充填體單軸抗壓強度應能達到15～20 MPa，充填體應變達到0.1～0.2 階段仍能保持10 MPa 以上的承載能力。

3.2 沿空留巷支護設計儲備型技術

煤礦智能化是“十四五”煤炭行業科技創新的重要方向，筆者團隊提出了沿空留巷數值模擬參數智能反演、沿空留巷支護參數智能優選設計等方面的思路。

傳統的沿空留巷數值模擬參數多是依賴巖石力學試驗結果和工程技術人員經驗，對所建立的數值計算模型和采用的巖石力學參數缺乏校驗。針對沿空留巷數值模擬巖石力學參數智能反演問題，筆者團隊建立了一套沿空留巷數值模擬巖石力學參數智能反演工作流(圖9)。該方法包括以下步驟：① 采集鄰近工作面生產地質數據和支護參數、鄰近工作面及回采巷道支護設計和礦壓顯現數據，建立鄰近工作面生產地質特征數據－工作面及巷道礦壓顯現一體化數據庫；② 采用數值模擬軟件(如FLAC3D)建立含鄰近工作面的沿空留巷數值計算模型；③ 針對不同巖層選擇合適的本構模型并分別校驗，根據巖石力學結果初步確定各巖層參數，以鄰近工作面及其回采巷道礦壓顯現參數(變形、應力等)為反演目標進行迭代計算；④ 采用K 鄰近算法(簡稱KNN)、支持向量機(簡稱SVM)、隨機森林(簡稱RF)、神經網絡(簡稱NN)等人工智能算法，構建鄰近工作面及其回采巷道礦壓顯現的代理模型，并采用遺傳算法實現自動歷史擬合；⑤ 最后，采用反演的巖石力學參數進行沿空留巷巷內支護和巷旁支護設計模擬分析，從而評價沿空留巷支護設計方案的圍巖控制效果。

圖9 沿空留巷數值模擬巖石力學參數智能反演工作流Fig.9 Intelligent inversion of rock mechanical parameters used in numerical simulations for GER

筆者團隊提出沿空留巷支護參數智能優選設計方法(圖10)。該方法包括以下步驟：① 采集已留巷工作面生產地質特征數據、已留巷工作面支護設計和留巷礦壓顯現數據，建立已留巷工作面生產地質－工作面及巷道礦壓顯現一體化數據庫；② 采用特征工程技術挖掘數據間的關系，確定沿空留巷圍巖變形的主控因素；③ 采用機器學習、深度學習技術，以已留巷工作面生產地質和留巷支護設計特征數據集作為輸入，以留巷工作面及巷道礦壓顯現作為輸出，建立沿空留巷圍巖變形智能預測模型；④ 計算巷旁支護、巷內支護等留巷費用、確定沿空留巷延米費用；⑤ 采用多目標優化算法，以留巷工作面生產地質特征數據為物理約束，以圍巖變形量允許指標、沿空留巷延米費用最低為多目標優化沿空留巷巷內支護和巷旁支護參數，從而指導現場施工。該方法可為優化沿空留巷支護設計、提高沿空留巷圍巖控制效果、降低沿空留巷支護成本提供理論依據和方法支撐。

圖10 沿空留巷支護參數智能優選設計思路Fig.10 Intelligent design of GER support parameteras

4 結 論

(1)沿空留巷技術是井工煤礦無煤柱開采的重要途徑。目前，我國在不同技術類型沿空留巷、沿空留巷圍巖穩定原理、巷內支護技術、巷旁支護技術方面均取得了較大突破，并逐步將人工智能應用到沿空留巷技術當中。沿空留巷技術類型方面，階段式沿空留巷主要應用于高瓦斯礦井，復用式沿空留巷仍為主要應用類型，充填式沿空留巷應用范圍較切頂沿空留巷更為廣泛；沿空留巷圍巖穩定方面，沿空留巷頂板運動特征是不同時期沿空留巷巷內支護、巷旁支護參數確定的重要依據，也是建立適宜沿空留巷圍巖力學模型的基礎，主要圍巖力學模型包括分離巖塊法、傾斜巖梁法、疊加層板法、彈性薄板頂板運動力學模型、弧形三角塊穩定法、結構協調承載力學模型等；沿空留巷巷內支護方面，基本支護主要形成了以錨桿（索）支護等主動支護為主，加強支護主要形成了單體液壓支柱配合鉸接頂梁、單體液壓支柱配合長鋼梁、巷內加強支護液壓支架等；沿空留巷巷旁支護方面，主要形成了高水材料高塑性變形充填體和混凝土高支護阻力有限可縮充填體兩大類，巷旁臨時支護從密集單體支柱配合頂梁發展到專用沿空留巷采空區擋矸支架；數字化與信息化應用方面，主要集中于沿空留巷適應性評價和圍巖變形監測2 個方向，智能化水平不斷提高。

(2)我國沿空留巷應用逐漸向厚煤層綜放/一次采全高、多層硬頂（強動載）工作面推廣。但受限于復雜的生產地質條件，缺乏不同礦壓顯現特征下沿空留巷圍巖與支護體相互機制的理論認識、適當變形力學特性的巷旁支護體充填材料，也缺少沿空留巷底臌機理及控制技術體系。降本提質、融入智能化礦山建設是沿空留巷技術持續推廣的關鍵。

(3)針對現階段我國沿空留巷技術應用面臨的難題和挑戰，筆者團隊提出了幾項儲備型技術：厚煤層綜放/一次采全高沿空留巷有控切頂–充填圍巖協同控制技術、面向強礦壓工作面含外加劑改性高水材料沿空留巷技術；針對沿空留巷數值模擬巖石力學參數智能反演問題，建立了一套沿空留巷數值模擬巖石力學參數智能反演工作流、提出了沿空留巷支護參數智能優選設計方法。