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深部沿空巷道锚固围岩破坏失稳能量驱动机理
受深部“高静载应力+动载扰动”的复杂应力环境影响，无煤柱或小煤柱沿空巷道围岩大变形和破坏失稳现象非常严重，尤其是在采空区侧向顶板断裂运动的影响下，巷道顶底板及两帮变形剧烈，锚固围岩呈现出非对称大变形、强流变、破裂严重及易动力失稳等特点，支护难度极大，已成为制约深部煤矿安全开采的主要瓶颈之一。
与大煤柱护巷回采巷道相比，沿空巷道最大特点 是受覆岩侧向断裂运动影响。如袁亮等、侯朝炯和李学华将沿空巷道围岩及上覆岩层划分为“大结构 −小结构”，并提出把握“大−小结构”相互平衡作用过程，是沿空巷道围岩控制的关键;刘垚鑫等、黄志增等构建了工作面沿空巷道侧向悬臂梁结构模型，揭示了侧向顶板破断回转过程中沿空巷道围岩变形破坏机制;蒋威等综合考虑煤柱宽度与覆岩结构特征， 获得了煤柱稳定性与覆岩结构先后主导下的沿空巷道受载变形机制;郭金刚等通过建立综放沿空巷道 覆岩结构力学模型，探讨了综放沿空巷道围岩稳定性 与上覆基本顶破断运动及其形成的结构之间的相关性。进一步地，在沿空巷道岩层运移导致围岩动力失稳的能量变化机制方面，笔者团队针对侧向顶板断裂运动影响下沿空巷道围岩稳定性进行了研究，并从能量的角度揭示了实体煤帮与巷旁支护体的失稳 机制;王志强等基于能量准则，对负煤柱沿空巷道 围岩能量积聚与释放规律进行了研究，并据此提出了 有利于防控冲击地压的负煤柱沿空巷道布置方法;韩 刚等采用微震监测的方法对沿空巷道侧向顶板破 断所产生的能量事件进行了监测分析，进一步揭示了顶板破断所产生的冲击载荷作用机制。这些研究工 作对侧向顶板断裂运动影响下沿空巷道围岩失稳机理提供了理论参考。此外，针对沿空巷道锚固围岩失 稳机制与控制方法，黄万朋等、谷长宛等以沿空掘巷留设煤柱为研究对象，分析了对穿锚索作用下煤 体内部破裂特征及其演化过程;王凯等针对软弱厚 煤层综放开采沿空留巷动压显现明显问题，提出了沿空留巷变形协同支护体系，并获得了巷道锚固围岩破 坏特征;杨俊彩等为解决柔模砼墙沿空留巷围岩变 形破坏严重的难题，提出采用无机注浆加固、加强顶帮结构及提高巷内高阻支护等综合控制技术，揭示了 锚固围岩承载机制;王琦等、范德源等、朱永建等、潘锐等针对沿空巷道高强锚注控制效果进行了分析，揭示了锚注作用下沿空巷道围岩变形机制。上述研究成果有力推动了深部沿空巷道锚固围岩破坏失稳机理定量化研究的进程。
然而，这些研究工作在指导深部沿空巷道锚固围 岩失稳机理上具有一定的参考，但均没有考虑侧向顶板断裂运动对锚固围岩整体变形破坏特征的影响，尤其是从能量角度对沿空巷道锚固围岩失稳机理探讨不够深入，也未能建立指导现场的工程判据。为此，笔者以孙村煤矿31120工作面上平巷为工程背景，采用室内试验、理论分析与现场实践相结合的方法，研究侧向顶板断裂时锚固围岩变形破坏规律，揭示沿空巷道侧向顶板断裂诱发锚固围岩动力失稳能量驱动机理，构建失稳能量判据，并结合工程现场进行验证。研究成果对于深部矿井煤炭资源的安全开采具有重要现实意义。
深部沿空巷道受侧向顶板断裂所产生的动载影响，锚固围岩易产生大变形，甚至破坏失稳。以山东省孙村煤矿31120工作面上平巷为工程背景，首先采用YTJ20型岩层探测记录仪获得了锚固顶板裂隙发育规律及以脆性张裂破坏为主的破坏方式。然后，通过相似材料模拟试验方法获得了深部沿空巷道侧向顶板前期、过渡期和后期3个运动阶段典型特征，并分析了不同阶段锚固围岩破裂演化及能量释放规律；其中过渡期运动阶段锚固围岩内部应力、变形量急剧增大，裂隙发育明显，能量释放显著，对沿空巷道锚固围岩稳定性影响最大。
最后，构建了侧向顶板断裂运动下沿空巷道结构力学模型，给出了锚固围岩输入能量与可抵抗能量定量计算方法，揭示了侧向顶板断裂诱发锚固围岩破坏失稳能量驱动机理，并定义了失稳能量判据，即当作用在沿空巷道锚固围岩上的能量大于锚固围岩可抵抗能量时，将发生破坏失稳。进一步地，提出了锚固围岩失稳风险等级划分方法和相应地控制技术，计算结果表明，31120工作面沿空巷道锚固围岩失稳风险等级为中风险。采取加强支护措施后，沿空巷道顶底板及两帮移近量分别减小35.47%和35.71%，锚索受力减小23.43%，变形速度明显降低，锚固围岩能量积聚程度减小。
图 1 综合岩层柱状
图 2 YTJ20 型岩层探测记录仪及观测位置
图 3 1 号钻孔探测结果
图 4 2 号钻孔探测结果
图 5 测点布置示意
图 6 相似材料试验
图 7 锚固围岩垂直位移演化
图 8 开采完毕岩层垂直位移
图 9 锚固围岩应力监测结果
图 10 实体煤帮应力监测结果
图 11 声发射信号演化
图 12 实体煤帮声发射信号演化
图 13 沿空巷道侧向顶板断裂结构力学模型
图 14 侧向顶板几何关系示意
图 15 动能函数曲线
图 16 沿空巷道锚固围岩承载能量模型
图 17 顶部锚固承载结构能量平衡关系简化曲线
图 18 不同阶段实体煤帮破坏演化结构力学模型
图 19 支护方案
图 20 沿空巷道测点布置
图 21 巷道围岩移近量
图 22 锚索受力曲线
图 23 31120 工作面留巷效果
刘学生，男，1988年生，山东德州人，山东科技大学矿山灾害预防控制实验室副主任，采矿工程系党支部书记，教授、博士生导师，是国家级青年人才入选者、泰山学者青年专家、中国科协青年人才托举工程人选、山东省优青、山东省一流本科课程负责人、山东省高校青创团队负责人、山东科技大学杰出青年人才。兼任中国岩石力学与工程学会青年工作委员会委员、矿山冲击地压专委会委员、采矿岩石力学分会理事，中国矿山安全学会顶板防治专委会委员，山东岩石力学与工程学会常务理事，山东省力学学会理事，是IJMST、JCSU、煤炭科学技术、DUSE、山东科技大学学报（自然科学版）青年编委，IJCST科学编辑。曾获全国煤炭青年五四奖章、煤炭青年科技奖、中国岩石力学与工程学会优秀博士论文奖、山东省优秀博士学位论文等荣誉。
研究方向
矿山岩体力学与岩层控制、深部巷道支护及动力灾害防治
主要成果
主持国家自然科学基金3项，国家重点研发计划子课题、山东省优秀青年基金、山东省重点研发计划等纵向项目和企业委托课题30余项，在工程煤岩力学响应测试与表征方法、复杂条件无煤柱护巷理论与技术、深部冲击地压能量机理与卸支协同防控等方面有深入研究，创建了深部动力灾害能量叠加驱动理论，构建了分区分源协同防控技术体系，攻克了深部动力灾害预警与防控的多项关键难题。以第一或通讯作者发表高水平论文60余篇，首位授权发明专利24项，编制国家标准1项、能源行业标准1项。以首位获青岛市自然科学一等奖、中国安全生产协会科技进步一等奖、山东省高校优秀科研成果一等奖、中国煤炭工业科学技术二等奖等奖励5项，作为骨干获教育部技术发明二等奖、山东省技术发明二等奖、中国职业安全健康协会科学技术一等奖等奖励10余项。
来源：
刘学生，王新，谭云亮，等. 深部沿空巷道锚固围岩破坏失稳能量驱动机理[J]. 煤炭学报，2024，49(4):1819−1833.
