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1 introduction
1.1 选题背景 (Research Background)
随着煤炭的持续开采，浅、中部煤炭资源越来越少，我国井工开采的煤矿开采深度平均每年增加9~15m，并且随着开采规模扩大和机械化水平的提高，生产矿井向深部发展的步伐进一步加快，煤矿深井开采成为世界上大多数主要采煤国家要面临的实际问题[1-5]。目前，我国的许多煤矿已经进入了深部开采，例如新汶的孙村矿、华丰矿，开滦的赵各庄矿、唐山矿以及淮南的新庄孜矿等采深都在千米以上。深部开采出现了一系列新问题和新的特点，其中，由于岩层压力大，巷道位移量显著增大，支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难。据统计，由于深部开采引起围岩变形、位移和片帮、冒落、崩塌等安全事故，占矿山建设、生产事故中总数的40%以上，由此所带来的损失，仅死亡人数就占矿山百万吨死亡率中的50%以上，至于事故发生后的清理修复、加固等所耗费的资金和影响生产所造成的经济损失则以数亿元计，而且巷道量大面广，仅煤炭系统就有各类巷道5万多公里，每年用于巷道的支护费用达百亿元以上。所以煤炭生产建设形势迫切要求对深部巷道支护问题进行深入研究。目前深部巷道围岩维护问题已成为煤矿开采面临的重大课题之一，且这一问题已引起世界各国采矿界的高度重视。
矿井深部开采由于其地应力的变化，导致岩体的物理力学性质发生了变化，煤岩体在变形破坏程度和变形破坏方式与浅部有了比较大的不同，现有的适用于浅部开采相关理论和巷道支护方法，在深部的工程实践中遇到了问题[6-9]。
随着矿井产量和效率的不断提高，对成巷速度提出越来越高的要求，而传统的双巷掘进方式既不能满足采掘接替的需要，也造成大量煤炭资源的浪费。此外由于巷道埋深较大，个别矿井为了保证巷道围岩稳定，盲目的扩大区段保护煤柱的宽度，造成更为严重的煤炭损失。
综上考虑，对于深部开采矿井而言，采用无煤柱开采已经成为矿井巷道布置的主要发展趋势。
沿空留巷技术作为无煤柱开采技术的重要发展方向，它是维护在工作面后方的采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用，如图1-1所示。但是，由于沿空留巷在工作面后方，受两次工作面采动影响引起的矿山压力显现要比用煤柱护巷引起的矿压显现强烈地多，在巷道维护时比较困难，因此，如何设计合理的巷旁和巷内支护形式及参数是确保沿空留巷围岩稳定
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的关键。
沿采空区留下的平巷
图1-1 沿空留巷示意图
Fig 1-1 gob-side entry retaining sketch map
巷旁充填带深部沿空留巷，开采深度大，上覆岩层大范围剧烈活动，矿压显现剧烈，且要经受多次强烈的采动影响，高原岩应力与采动应力叠加，导致围岩扩容变形剧烈，流变性和冲击性突出，从而使得深部沿空留巷围岩变形控制异常困难。因此，对深部沿空留巷围岩变形特征进行研究并开发相应的支护技术具有重要的理论意义和实用价值。
巷内、巷旁支护手段、支护特征、支护参数的确定是沿空留巷研究的重点。我国沿空留巷发展始于二十世纪五十年代，主要巷旁支护手段采用矸石垛、木密集支柱等，仅限于在薄煤层中应用；到二十世纪七十年代，有些矿区又采用混凝土砌块和密集金属支柱等巷旁支护方式，应用于中厚煤层中，并取得成功。近年来我国部分矿区成功开展沿空留巷工业性试验并成功应用于矿井实际回采巷道布置过程中，但仅限于浅部开采矿井，深部开采沿空留巷技术研究相对空白[10-16]。
相比传统回采巷道布置而言，沿空留巷可以实现煤炭资源最大限度的回收利用，从根本上消除区段煤柱损失，有效地缓解矿井采掘接替问题，较好的控制工作面上隅角瓦斯积聚，对于东部煤炭资源相对枯竭的矿井具有重要的技术经济效益和社会效益[17]。
针对上述问题，以目前我国深部矿井井工开采埋深775m，年产1.2Mt徐州矿务集团旗山煤矿为工程背景，对深井沿空留巷围岩变形的机理与控制技术展开研究，为科学合理的选择沿空留巷巷旁充填材料、充填体尺寸大小以及具体施工工艺的确定和改进奠定基础。因此，开展深井沿空留巷围岩稳定机理与控制研究具有重要的现实意义。
1.2 国内外研究现状 (Research Status at Home and Aboard)
1.2.1 国内外沿空留巷发展及研究现状
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纵观国内外沿空留巷的发展历史，沿空留巷理论研究的中心内容始终是围绕沿空留巷支护系统的支护阻力、变形与巷道围岩相互作用关系这一议题进行的。
在沿空留巷巷旁支护水平较低的阶段，沿空留巷巷旁支护（如矸石带、木垛等）没有足够的阻力切断老顶，巷旁支护只能适应老顶的变形以控制直接顶为主，在这个阶段沿空留巷技术只能在薄及中厚煤层中应用。在这样的实践基础上，1977年英国学者Whittaker等人将采场矿压研究的Wilson模型加以发展，利用块体结构静力关系，建立分离岩块沿空留巷力学模型（Detached Block Theory）；苏联专家B2Φ胡托尔诺根据采场矿压悬臂梁模型，将其推广到沿空留巷的研究中，研究沿空留巷矿压机理，导出了特定条件下计算沿空留巷巷旁支护切断直接顶的工作阻力的计算式。以上理论方法都认为老顶自身能形成结构保持平衡，老顶下沉是巷旁支护系统无法抗拒的，巷旁支护的作用就是支撑老顶以下的直接顶，以保证直接顶的静力平衡。二十世纪八十年代以后，英国大力发展高水材料的机械化整体巷旁充填。整体巷旁充填体的良好作用，具备承受远远高于直接顶岩石重量的载荷，能够切断一部分下位老顶岩层。在这种技术经验条件下，1982年英国学者Smart等人提出了巷旁充填带设计计算的新方法，建立了沿空留巷顶板倾斜力学模型（Roof Beam Tilt Theory），这种方法的基础思想是限制巷道煤体一侧到采空区边缘之间顶板的下沉量，提出了顶板倾斜角和转动支点位置是巷旁支护设计的两个重要参数的观点，巷旁支护的作用可以在一定范围内控制老顶的下沉量，合理的巷旁支护必须具有足够的刚度和强度。Smart的顶板倾斜力学模型的一个明显特点就是巷旁支护的对象不只限于直接顶，而且提出了老顶也需要控制的观点。但是，该方法并未深入分析研究巷旁支护对老顶的断裂线控制机理和对老顶断裂线的位置的影响规律，以及老顶对沿空留巷巷道的前后期变形过程的影响等问题。事实上，该理论研究的是沿空留巷二维力学模型，没有把沿空留巷矿压机理研究与岩层活动规律真正的结合起来[18-30]。
在国内，从二十世纪五十年代到七十年代初，沿空留巷巷旁支护普遍采用矸石带、木密集支柱、木垛等支护方式。研究方法主要是以现场实测为主，以经验统计为辅，根据实测曲线，从宏观角度出发比较明确的描述了具体地质条件下的沿空留巷支护系统参数。1982年中国矿业大学陆士良教授在他所编著的《无煤柱护巷矿压显现》一书中分析了我国多年来沿空留巷的大量工作，对沿空留巷矿压显现规律作了较为详细的分析，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于“裂隙带岩层取得前的强烈沉降”的重要观点，进而说明了沿空留巷矿压显现与上覆岩层活动的密切关系。对沿空留巷的生产实践和理论研究具有重要的指导意义。同时从实践上对沿空留巷支护围岩的相互作用关系的研究也做了开拓性的工作[31-38]。
1987年中国矿业大学朱德仁博士在现场研究和板模型试验的基础上，经过三
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维模型的数值有限元模拟，提出了长壁工作面端头顶板可能形成“三角形悬板”结构的观点，人们开始认识到沿空留巷的矿压显现规律与采场老顶的活动规律密切相关，人们可以借用采场老顶板结构数学力学模型来研究沿空留巷的围岩活动规律，采场老顶板结构力学模型为人们研究沿空留巷矿压显现规律提供了启示和契机。1989年中国矿业大学吴健教授指导的学生孙恒虎博士将沿空留巷顶板活动简化为矩形叠加层板弯矩破坏力学模型，应用条带载荷分割法和塑性极限分析法原理来确定沿空留巷巷旁支护阻力。漆泰岳教授统计分析了我国20世纪50年代以来沿空留巷的工程实例，提出了各种围岩条件下沿空留巷的巷内与巷旁支护的支护参数。他应用理论分析法，对沿空留巷的老顶断裂与沿空留巷的支护强度及变形的关系进行了较为深入的研究。提出了沿空留巷巷旁支护初期(老顶第1次断裂时)支护强度的计算方法；提出了沿空留巷巷旁支护后期(老顶第2次断裂后)支护强度及巷道变形的计算方法。整体浇注护巷带较适用Ⅰ级Ⅰ类～Ⅲ级Ⅲ类顶板围岩条件，而不太适用Ⅳ级Ⅳ类顶板围岩条件。柏建彪教授等人在综述巷旁支护技术发展历程的基础上，提出膏体材料巷旁充填沿空留巷新技术；分析沿空留巷顶板破断垮落特征。建立了膏体材料巷旁充填沿空留巷的力学模型，提出了膏体材料巷旁支护体主要参数的确定方法并将研究结果应用于工程实践。中国矿业大学侯朝炯教授、柏建彪教授、周华强教授等，对影响沿空留巷围岩稳定性各因素进行了深入的研究[39-45]。
1.2.2 深部巷道围岩地质力学特性及沿空留巷特点
“深部”是一个相对性的提法，国际上通常认为，深部开采是由于矿床埋藏较深，而使生产过程出现一些在浅部矿床开采时很少遇到的技术难题的矿山开采。据统计，目前我国大中型煤矿平均开采深度456m，采深大于600m的矿井产量占28.5%。小煤矿平均采深196m，采深超过300m的矿井产量占14.5%，也就是说我国大部分煤矿开采深度没有超过600m。据此我们对于“深部”的界定采用绝对指标和相对指标相结合的方法，即矿井开采深度超过600m，且围岩变形呈现非线性大变形特征时即认为进入深部开采阶段。结合徐州矿务集团旗山煤矿开采现状，可以认定矿井开采已经进入深部范围。
深部岩体处于高地压、高地温、高岩溶水压和强烈采动影响的“三高一扰动”复杂地质力学环境中，表现出大变形、非连续与非协调的变形特征，与浅部岩体的变形具有很大的不同。深部岩体微裂纹的产生与发展、原生裂隙的张拉与剪切等各种变形，在高地应力下与无初应力或低应力下的介质与块体的相对变形、流变和微裂隙的产生发展具有不同的发展模式和表现形态，且与时间有关。
随着开采深度的增加，岩石破坏机理也发生了变化，由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为深部开采条件下由侧向应力控制的断裂生长破坏，由浅部
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