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摘 要：目前，虽然对大采高小煤柱回采巷道围岩的稳定及控制技术进行了大量的研究，但不同矿井的工程地质条件相差甚大，一些研究结论并不是适合所有矿井。本文通过理论分析大采高小煤柱回采巷道的围岩破坏机理和锚杆支护理论，研究了锚杆支护与巷道围岩的相互作用关系，得出巷道围岩控制机理和保持巷道围岩稳定的关键技术。
关键词：大采高；回采巷道；围岩控制
1 围岩破坏机理
目前，在大采高小煤柱回采巷道围岩变形破坏特征方面主要有以下四个方面的研究结论：
①小煤柱回采巷道要经受上下区段多次工作面采动的影响，因此回采巷道的围岩变形量将会比较大，并且同回采巷道的顶底板移近量相比，回采巷道的两帮移近量要大得多；
②小煤柱回采巷道在靠近采空区一侧巷帮的变形量在回采巷道掘进期间要大于回采巷道在实体煤一侧的变形量；而在本区段回采工作面的推进过程中的规律同回采巷道掘进期间这一规律恰好相反；
③因小煤柱回采巷道要经受多次工作面采动的影响，小煤柱回采巷道的矿压将会呈现出周期性变化的特点；
④小煤柱回采巷道因受多次工作面采动的影响将会变得十分松散破碎，导致巷道围岩的受力状况十分复杂并出现应力分布不均匀的情况，进而造成巷道围岩承载能力比较差并且巷道维护十分困难[1]。
2 锚杆支护机理
锚杆支护将锚杆杆体与一定范围内的巷道围岩锚固在一起形成承载能力更强的锚固体。目前，有以下五种比较成熟的锚杆支护理论[2]：
2.1 悬吊理论
巷道围岩应力在巷道开掘后重新分布，一些强度较低的直接顶岩层将会随之发生松动和下沉，或者自身裂隙比较发育的岩层将会在巷道开挖失去支承后成为危险块体。将锚杆在直接顶与老顶发生离层之前通过锚固力锚入顶板钻孔中，具有抗拉和抗剪特性的锚杆杆体将锚固范围内的不稳定岩层或危险岩体悬吊于其上方的稳定岩体中，起到一定的悬吊作用，从而达到维持巷道围岩稳定性的目的。
图1 锚杆悬吊作用示意图
2.2 组合梁理论
如果巷道上方强度较低的松软直接顶岩层厚度较大时，锚杆支护将不能通过锚杆端头的锚固作用直接将不稳定岩层或危险岩体悬吊于其上方的稳定岩体中，此时锚杆对巷道顶板的控制作用主要表现在两个方面：
2.2.1 锚杆通过其端头和托盘施加挤压力于不稳定岩层上，达到增大锚杆支护范围内巷道上覆岩层间的摩擦系数，阻止直接顶不稳定岩层之间发生离层。
2.2.2 锚杆通过其杆体比较强的抗剪能力将锚杆之前支护范围内不稳定岩层叠加梁结构转变为锚杆支护与其支护范围内的不稳定岩层共同形成锚固体组合梁结构，这个锚固体组合梁结构具有更强的抗弯能力，大幅减少顶板的变形下沉。
图2 锚杆组合梁结构示意图
2.3 压缩拱理论
以具有一定预紧力的锚入拱形巷道的锚杆为中心将会形成一个锥形锚固带，这些锥形锚固带相互叠加形成压缩拱结构。压缩拱结构不但能够承载自身的载荷，而且还可以承载其上稳定岩层传递的大载荷。
圖3 组合拱理论示意图
2.4 最大水平应力理论
在水平方向应力大于垂直方向应力的情况下，围岩稳定性将主要由最大水平应力决定；在其他地质条件和开采条件相同的情况下，巷道围岩的稳定性将会随着最大水平应力方向和巷道轴向角度的不同有所不同。巷道围岩受最大水平应力重用非常容易发生剪切变形破坏，锚杆支护通过其轴向作用力和抗剪特性不仅可以有效地阻止巷道围岩发生早期变形，而且还能够有效地阻止岩层间之间发生滑动。
2.5 围岩松动圈理论
2.5.1 松动圈支护机理
巷道在开掘后重新分布的围岩应力超过其承载极限时将会发生变形破坏，岩体中发生变形破坏的各个区域彼此相连形成围岩松动圈。该支护理论适用于巷道围岩中不但存在松动圈，而且还要求顶板岩层垮落过程产生的变形远远大于其自身的弹性变形。
2.5.2 松动圈分类方法
松动圈分类的主要判断指标是松动圈的厚度，根据松动圈厚度的不同，可以将巷道围岩的松动圈分为三类：当松动圈厚度小于400mm时，定义为小松动圈；当松动圈厚度为400～1500mm时，定义为中等松动圈；当松动圈厚度大于1500mm时，定义为大松动圈[3]。
2.5.3 松动圈支护方法
巷道围岩大松动圈的范围比较大，需要通过锚杆轴向挤压作用将松动圈松散围岩的叠加梁结构转变为锚杆支护与其支护范围内的松动圈松散围岩共同形成锚固体组合梁结构，达到防治巷道围岩发生大变形的目的。
3 围岩控制机理
在大采高小煤柱的条件下，其回采巷道由于同采空区之间的距离比较近而极其容易受到采空区的影响，因此将会具有围岩应力分布不均匀、应力集中系数比较大，并且在外界环境的影响下容易出现围岩动态平衡结构发生失稳的现象，此外巷道的矿压显现程度在回采工作面采动的影响下将会变得十分剧烈、顶底板及两帮移近量比较大并且两帮的变形也不均匀等一系列特征。
3.1 大采高小煤柱回采巷道围岩控制机理
3.1.1 高强度锚杆支护理论与整体锚固理论
锚杆支护可以通过其自身的锚固作用与其锚固范围内的岩体共同形成一个具有整体承载结构的锚固体，这种支护方式能够极大地改善巷道围岩的受力状况，并且能够提高锚杆锚固范围内岩体的峰值强度、峰后强度以及残余强度，从而达到控制巷道围岩变形，限制巷道围岩破碎区与塑性区进一步发展的目的。 3.1.2 回采巷道围岩控制的关键
根据巷道围岩的外部力学条件，由于上区段回采工作面开采高度比较大，而采空区的冒落矸石很难将其填满，所以基本顶岩层将向采空区一侧发生弯曲下沉，由此将会有侧向支承压力产生并且该侧向支承压力还会逐渐转移向煤壁深部，这一现象将会导致煤体边缘发生松动变形，煤体的强度及其自身的承载能力将会进一步降低。而由于受本区段回采工作面采动影响，直接顶的回转下沉作用将会影响到位于直接顶上方关键块的稳定性，将会导致巷道围岩出现应力分布不均匀、应力集中系数比较大，并且巷道的直接顶将会受到其上覆岩层回转下沉产生的附加水平应力的影响而一同发生回转下沉，回转下沉的支点为实体煤帮，这一作用扩大了围岩的破碎范围并且使得围岩的承载能力得到了进一步的降低。所以，通过保持小煤柱的稳定性能够使得巷道围岩中的应力分布保持均匀状态并且使得巷道围岩变形得到减小，从而达到保持回采巷道围岩的稳定性的目的。由此可以得出，回采巷道围岩控制的关键是保持小煤柱的稳定性。
3.1.3 高强度锚杆让压支护控制巷道围岩变形
为了使得巷道围岩变形所产生的能量得到释放让压，要求所采用的支护不但要具有比较高的支护强度而且还需要适应比较大的围岩变形。高强度锚杆不但具有比较大的延伸率，而且能够适应比较大的围岩变形，因此可以采用高强度锚杆让压支护控制巷道围岩变形。
3.1.4 高预紧力锚杆支护提高巷道围岩稳定性
高预紧力锚杆支护可以使巷道围岩处于受压状态，并且能够使得锚杆锚固范围内的巷道围岩最大限度地保持其完整性，能够防止巷道围岩发生进一步的变形和破坏，并且能够控制其破碎区和塑性区的进一步发展，从而能够达到提高巷道围岩稳定性的目的。
3.1.5 采用小孔径锚索加固巷道深部围岩
小孔径高预紧力锚索对大采高小煤柱巷道进行加强支护可以防止其顶板岩层发生冒落，使得锚固体、直接顶以及基本顶三者之间能够协调运动。
3.1.6 增强巷道围岩的护表能力，保证浅部巷道围岩的完整性
在工作面回采过程中将会产生比较高的超前支承应力，因此巷道浅部围岩将会变得十分松散破碎，从而导致锚杆支护系统失效。采用锚杆托盘、钢筋梯梁、钢带、金属网等技术措施可以使锚杆的预紧力和锚固力得到很好的均匀的扩散，能够有效地阻止巷道浅部的围岩发生变形与垮落。
3.1.7 通过注浆加固煤柱提高煤柱的承载能力
采用注浆加固可以充填和固结媒体中原有的或者经过变形破坏作用产生的弱面，从而能够极大地提高松散破碎煤岩体的强度，保证小煤柱的整体稳定性，增加小煤柱的侧向约束力。
3.2 大采高小煤柱回采巷道支护的关键技术
大采高小煤柱回采巷道的围岩强度比较低，矿压显现程度十分剧烈，因此，必须选择合理的支护方式才可以有效地控制回采巷道围岩的变形破坏，进而能够保持巷道围岩处于稳定的状态。大采高小煤柱回采巷道支护成功的关键技术如下：
3.2.1 选择合理的支护方式
选择合理的支护方式，使支护体与其支护范围内的巷道围岩共同形成整体的承载结构，该承载结构能够有效地提高巷道围岩的整体强度，保证巷道围岩处于穩定的状态，从而使得回采巷道能够满足工作面安全生产的要求。
3.2.2 控制巷道两帮围岩变形
煤体在巷道经过开挖之后将会从三向应力状态转变成两向应力状态，巷道两帮的媒体在煤体内能量释放的过程中将会变得松散破碎，并且两帮煤体由于受碎胀力的影响将会发生一定程度的变形，通过锚杆支护可以将其控制在合理的范围之内。
参考文献：
[1]张华，刘建，李鹏，等.深部岩巷稳定性控制方法及实例研究[J].岩石力学与工程学报，2008（02）：3913-3918.
[2]张斌川，卢辉，刘路，等.深井高应力巷道锚杆支护参数优化研究[J].煤矿开采，2014（06）：116-119.
[3]靖洪文，付国彬，郭志宏.深井巷道围岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究[J].岩石力学与工程学报，1999（01）：70-74.
作者简介：
曹学军（1975.11-），男，工程硕士矿业工程专业，现于大同煤矿集团有限责任公司忻州窑矿从事煤炭生产管理工作。
关键词：大采高；回采巷道；围岩控制
1 围岩破坏机理
目前，在大采高小煤柱回采巷道围岩变形破坏特征方面主要有以下四个方面的研究结论：
①小煤柱回采巷道要经受上下区段多次工作面采动的影响，因此回采巷道的围岩变形量将会比较大，并且同回采巷道的顶底板移近量相比，回采巷道的两帮移近量要大得多；
②小煤柱回采巷道在靠近采空区一侧巷帮的变形量在回采巷道掘进期间要大于回采巷道在实体煤一侧的变形量；而在本区段回采工作面的推进过程中的规律同回采巷道掘进期间这一规律恰好相反；
③因小煤柱回采巷道要经受多次工作面采动的影响，小煤柱回采巷道的矿压将会呈现出周期性变化的特点；
④小煤柱回采巷道因受多次工作面采动的影响将会变得十分松散破碎，导致巷道围岩的受力状况十分复杂并出现应力分布不均匀的情况，进而造成巷道围岩承载能力比较差并且巷道维护十分困难[1]。
2 锚杆支护机理
锚杆支护将锚杆杆体与一定范围内的巷道围岩锚固在一起形成承载能力更强的锚固体。目前，有以下五种比较成熟的锚杆支护理论[2]：
2.1 悬吊理论
巷道围岩应力在巷道开掘后重新分布，一些强度较低的直接顶岩层将会随之发生松动和下沉，或者自身裂隙比较发育的岩层将会在巷道开挖失去支承后成为危险块体。将锚杆在直接顶与老顶发生离层之前通过锚固力锚入顶板钻孔中，具有抗拉和抗剪特性的锚杆杆体将锚固范围内的不稳定岩层或危险岩体悬吊于其上方的稳定岩体中，起到一定的悬吊作用，从而达到维持巷道围岩稳定性的目的。
图1 锚杆悬吊作用示意图
2.2 组合梁理论
如果巷道上方强度较低的松软直接顶岩层厚度较大时，锚杆支护将不能通过锚杆端头的锚固作用直接将不稳定岩层或危险岩体悬吊于其上方的稳定岩体中，此时锚杆对巷道顶板的控制作用主要表现在两个方面：
2.2.1 锚杆通过其端头和托盘施加挤压力于不稳定岩层上，达到增大锚杆支护范围内巷道上覆岩层间的摩擦系数，阻止直接顶不稳定岩层之间发生离层。
2.2.2 锚杆通过其杆体比较强的抗剪能力将锚杆之前支护范围内不稳定岩层叠加梁结构转变为锚杆支护与其支护范围内的不稳定岩层共同形成锚固体组合梁结构，这个锚固体组合梁结构具有更强的抗弯能力，大幅减少顶板的变形下沉。
图2 锚杆组合梁结构示意图
2.3 压缩拱理论
以具有一定预紧力的锚入拱形巷道的锚杆为中心将会形成一个锥形锚固带，这些锥形锚固带相互叠加形成压缩拱结构。压缩拱结构不但能够承载自身的载荷，而且还可以承载其上稳定岩层传递的大载荷。
圖3 组合拱理论示意图
2.4 最大水平应力理论
在水平方向应力大于垂直方向应力的情况下，围岩稳定性将主要由最大水平应力决定；在其他地质条件和开采条件相同的情况下，巷道围岩的稳定性将会随着最大水平应力方向和巷道轴向角度的不同有所不同。巷道围岩受最大水平应力重用非常容易发生剪切变形破坏，锚杆支护通过其轴向作用力和抗剪特性不仅可以有效地阻止巷道围岩发生早期变形，而且还能够有效地阻止岩层间之间发生滑动。
2.5 围岩松动圈理论
2.5.1 松动圈支护机理
巷道在开掘后重新分布的围岩应力超过其承载极限时将会发生变形破坏，岩体中发生变形破坏的各个区域彼此相连形成围岩松动圈。该支护理论适用于巷道围岩中不但存在松动圈，而且还要求顶板岩层垮落过程产生的变形远远大于其自身的弹性变形。
2.5.2 松动圈分类方法
松动圈分类的主要判断指标是松动圈的厚度，根据松动圈厚度的不同，可以将巷道围岩的松动圈分为三类：当松动圈厚度小于400mm时，定义为小松动圈；当松动圈厚度为400～1500mm时，定义为中等松动圈；当松动圈厚度大于1500mm时，定义为大松动圈[3]。
2.5.3 松动圈支护方法
巷道围岩大松动圈的范围比较大，需要通过锚杆轴向挤压作用将松动圈松散围岩的叠加梁结构转变为锚杆支护与其支护范围内的松动圈松散围岩共同形成锚固体组合梁结构，达到防治巷道围岩发生大变形的目的。
3 围岩控制机理
在大采高小煤柱的条件下，其回采巷道由于同采空区之间的距离比较近而极其容易受到采空区的影响，因此将会具有围岩应力分布不均匀、应力集中系数比较大，并且在外界环境的影响下容易出现围岩动态平衡结构发生失稳的现象，此外巷道的矿压显现程度在回采工作面采动的影响下将会变得十分剧烈、顶底板及两帮移近量比较大并且两帮的变形也不均匀等一系列特征。
3.1 大采高小煤柱回采巷道围岩控制机理
3.1.1 高强度锚杆支护理论与整体锚固理论
锚杆支护可以通过其自身的锚固作用与其锚固范围内的岩体共同形成一个具有整体承载结构的锚固体，这种支护方式能够极大地改善巷道围岩的受力状况，并且能够提高锚杆锚固范围内岩体的峰值强度、峰后强度以及残余强度，从而达到控制巷道围岩变形，限制巷道围岩破碎区与塑性区进一步发展的目的。 3.1.2 回采巷道围岩控制的关键
根据巷道围岩的外部力学条件，由于上区段回采工作面开采高度比较大，而采空区的冒落矸石很难将其填满，所以基本顶岩层将向采空区一侧发生弯曲下沉，由此将会有侧向支承压力产生并且该侧向支承压力还会逐渐转移向煤壁深部，这一现象将会导致煤体边缘发生松动变形，煤体的强度及其自身的承载能力将会进一步降低。而由于受本区段回采工作面采动影响，直接顶的回转下沉作用将会影响到位于直接顶上方关键块的稳定性，将会导致巷道围岩出现应力分布不均匀、应力集中系数比较大，并且巷道的直接顶将会受到其上覆岩层回转下沉产生的附加水平应力的影响而一同发生回转下沉，回转下沉的支点为实体煤帮，这一作用扩大了围岩的破碎范围并且使得围岩的承载能力得到了进一步的降低。所以，通过保持小煤柱的稳定性能够使得巷道围岩中的应力分布保持均匀状态并且使得巷道围岩变形得到减小，从而达到保持回采巷道围岩的稳定性的目的。由此可以得出，回采巷道围岩控制的关键是保持小煤柱的稳定性。
3.1.3 高强度锚杆让压支护控制巷道围岩变形
为了使得巷道围岩变形所产生的能量得到释放让压，要求所采用的支护不但要具有比较高的支护强度而且还需要适应比较大的围岩变形。高强度锚杆不但具有比较大的延伸率，而且能够适应比较大的围岩变形，因此可以采用高强度锚杆让压支护控制巷道围岩变形。
3.1.4 高预紧力锚杆支护提高巷道围岩稳定性
高预紧力锚杆支护可以使巷道围岩处于受压状态，并且能够使得锚杆锚固范围内的巷道围岩最大限度地保持其完整性，能够防止巷道围岩发生进一步的变形和破坏，并且能够控制其破碎区和塑性区的进一步发展，从而能够达到提高巷道围岩稳定性的目的。
3.1.5 采用小孔径锚索加固巷道深部围岩
小孔径高预紧力锚索对大采高小煤柱巷道进行加强支护可以防止其顶板岩层发生冒落，使得锚固体、直接顶以及基本顶三者之间能够协调运动。
3.1.6 增强巷道围岩的护表能力，保证浅部巷道围岩的完整性
在工作面回采过程中将会产生比较高的超前支承应力，因此巷道浅部围岩将会变得十分松散破碎，从而导致锚杆支护系统失效。采用锚杆托盘、钢筋梯梁、钢带、金属网等技术措施可以使锚杆的预紧力和锚固力得到很好的均匀的扩散，能够有效地阻止巷道浅部的围岩发生变形与垮落。
3.1.7 通过注浆加固煤柱提高煤柱的承载能力
采用注浆加固可以充填和固结媒体中原有的或者经过变形破坏作用产生的弱面，从而能够极大地提高松散破碎煤岩体的强度，保证小煤柱的整体稳定性，增加小煤柱的侧向约束力。
3.2 大采高小煤柱回采巷道支护的关键技术
大采高小煤柱回采巷道的围岩强度比较低，矿压显现程度十分剧烈，因此，必须选择合理的支护方式才可以有效地控制回采巷道围岩的变形破坏，进而能够保持巷道围岩处于稳定的状态。大采高小煤柱回采巷道支护成功的关键技术如下：
3.2.1 选择合理的支护方式
选择合理的支护方式，使支护体与其支护范围内的巷道围岩共同形成整体的承载结构，该承载结构能够有效地提高巷道围岩的整体强度，保证巷道围岩处于穩定的状态，从而使得回采巷道能够满足工作面安全生产的要求。
3.2.2 控制巷道两帮围岩变形
煤体在巷道经过开挖之后将会从三向应力状态转变成两向应力状态，巷道两帮的媒体在煤体内能量释放的过程中将会变得松散破碎，并且两帮煤体由于受碎胀力的影响将会发生一定程度的变形，通过锚杆支护可以将其控制在合理的范围之内。
参考文献：
[1]张华，刘建，李鹏，等.深部岩巷稳定性控制方法及实例研究[J].岩石力学与工程学报，2008（02）：3913-3918.
[2]张斌川，卢辉，刘路，等.深井高应力巷道锚杆支护参数优化研究[J].煤矿开采，2014（06）：116-119.
[3]靖洪文，付国彬，郭志宏.深井巷道围岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究[J].岩石力学与工程学报，1999（01）：70-74.
作者简介：
曹学军（1975.11-），男，工程硕士矿业工程专业，现于大同煤矿集团有限责任公司忻州窑矿从事煤炭生产管理工作。