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

(1.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭 411201；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州211116；3.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)與地質(zhì)工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830023；4.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047；5.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

沿空留巷技術(shù)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(hù)技術(shù)，將本工作面的回采巷道保留下來[1]。因此，其技術(shù)優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾方面[2]：① 降低巷道掘進(jìn)率、緩解采掘接替緊張、提高煤炭采出率；② 針對(duì)煤層群開采，取消遺留煤柱引起的應(yīng)力集中或動(dòng)力災(zāi)害等；③ 提供本煤層和鄰近煤層瓦斯治理場(chǎng)所，解決上隅角瓦斯積聚問題，優(yōu)化巷道作業(yè)環(huán)境等。

20 世紀(jì)歐洲主要采煤國(guó)家蘇聯(lián)、英國(guó)、德國(guó)、波蘭相繼開展煤礦沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用，2018 年德國(guó)關(guān)閉最后一座煤礦，進(jìn)入21 世紀(jì)俄羅斯仍在部分煤礦開展沿空留巷技術(shù)應(yīng)用。我國(guó)煤礦沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用已超過60 a，尤其是20 世紀(jì)80 年代后我國(guó)大力推行綜合機(jī)械化開采和煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)后沿空留巷得到快速發(fā)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(yīng)用與發(fā)展[3]。

筆者分析我國(guó)沿空留巷技術(shù)的主要類型、沿空留巷圍巖穩(wěn)定原理、沿空留巷圍巖控制技術(shù)；介紹沿空留巷最新應(yīng)用案例，并提出沿空留巷技術(shù)發(fā)展展望。

1 我國(guó)沿空留巷技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 我國(guó)沿空留巷技術(shù)主要類型

自20 世紀(jì)50 年代沿空留巷在我國(guó)開始應(yīng)用以來，生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜導(dǎo)致沿空留巷技術(shù)類型形式多樣。根據(jù)沿空留巷留下巷道是否復(fù)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(yīng)用于高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井工作面實(shí)行多進(jìn)多回的通風(fēng)方式(如大寧煤礦“五進(jìn)兩回”[4]、余吾煤業(yè)“三進(jìn)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(diǎn)：① 所留巷道較短，為2 個(gè)聯(lián)絡(luò)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(fēng)順暢即可，而一般留巷需要滿足第2 個(gè)工作面的使用要求；③ 留巷成本要求較低。因留巷長(zhǎng)度較短，僅經(jīng)幾個(gè)周期來壓的影響，達(dá)到后即廢棄，不經(jīng)受第2 個(gè)工作面采動(dòng)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(jù)沿空留巷是否構(gòu)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(jù)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(yù)裂切頂[7-8]、超前水力壓裂切頂[9]、超前鏈臂鋸機(jī)械切頂[10]。根據(jù)充填墻體構(gòu)筑材料和構(gòu)筑形式，充填式沿空留巷可分為金屬支柱巷旁支護(hù)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?；炷羀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(qū)側(cè)頂板采取密集大直徑鉆孔構(gòu)造人工非連續(xù)弱化帶，經(jīng)過超前支承應(yīng)力作用后，采空區(qū)頂板沿人工非連續(xù)弱化帶垮落充填采空區(qū)，巷內(nèi)頂板則保持穩(wěn)定。河南古漢山煤礦底分層15032 工作面運(yùn)輸巷成功實(shí)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(yù)裂切頂沿空留巷。爆破預(yù)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(qū)側(cè)定向爆破預(yù)裂切頂，同時(shí)采用加強(qiáng)支護(hù)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(shí)施了爆破預(yù)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(jìn)行雙向聚能拉伸爆破[3]。

(3)金屬支柱巷旁支護(hù)沿空留巷。金屬支柱巷旁支護(hù)沿空留巷是在工作面回采后沿采空區(qū)架設(shè)密集金屬支柱充當(dāng)巷旁支護(hù)作用并實(shí)現(xiàn)切落一定高度頂板、阻擋采空區(qū)冒落矸石，進(jìn)而將巷道保留下來。該類型留巷后來結(jié)合切頂沿空留巷思想還發(fā)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(hù)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(shí)施了金屬支柱巷旁支護(hù)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(nèi)布置3排輔助單體支柱，柱距500 mm，單體液壓支柱穿復(fù)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(qū)堆疊一定寬度的木垛墻體充當(dāng)巷旁支護(hù)作用，進(jìn)而將巷道保留下來。木垛巷旁支護(hù)具有成本低、勞動(dòng)強(qiáng)度低、較靈活等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是可縮量大、支護(hù)阻力較小、不易控制巷道變形、不能有效隔離采空區(qū)、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(cè)使用單體液壓支柱和打木垛的技術(shù)作為臨時(shí)支護(hù)及在采空區(qū)側(cè)采用錨索加強(qiáng)支護(hù)的支護(hù)技術(shù)手段進(jìn)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(qū)堆疊一定寬度的矸石袋充當(dāng)巷旁支護(hù)作用，進(jìn)而將巷道保留下來。矸石帶巷旁支護(hù)缺點(diǎn)為墻體初撐力小，初期受壓變形量大，勞動(dòng)強(qiáng)度大且隔離采空區(qū)效果差。山東王樓煤礦11307 綜采工作面運(yùn)輸巷成功實(shí)施了矸石袋墻沿空留巷[11]，巷旁采用了4.0 m 寬錨栓網(wǎng)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(qū)堆疊一定寬度的砌塊墻體(常為地面制作混凝土砌塊)充當(dāng)巷旁支護(hù)作用，進(jìn)而將巷道保留下來?；炷疗鰤K巷旁支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是增阻速度快、支護(hù)阻力大、切頂效果好、隔離采空區(qū)效果好；缺點(diǎn)是可縮量較小、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大。山西沙曲礦24202工作面成功實(shí)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(qiáng)度12.3 MPa)[12]。

(7)柔?；炷裂乜樟粝铩Ｈ崮；炷裂乜樟粝锸侵冈诠ぷ髅婊夭珊笱夭煽諈^(qū)構(gòu)筑一定寬度的柔?；炷翂w充當(dāng)巷旁支護(hù)作用，進(jìn)而將巷道保留下來。柔?；炷林ёo(hù)具有支護(hù)強(qiáng)度高、墻體構(gòu)筑工藝相對(duì)復(fù)雜的特點(diǎn)，易出現(xiàn)支護(hù)體切頂問題。陜西榆家梁煤礦43308 工作面成功實(shí)施了柔?；炷裂乜樟粝颷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(jié)構(gòu)的高承載力低成本優(yōu)勢(shì)，結(jié)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(hù)體的巷旁支護(hù)體，進(jìn)而將巷道保留下來。內(nèi)蒙古長(zhǎng)城煤礦1903 北回采工作面成功實(shí)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(qū)構(gòu)筑一定寬度的膏體混凝土墻體充當(dāng)巷旁支護(hù)作用，進(jìn)而將巷道保留下來。膏體材料與混凝土材料類似，最終強(qiáng)度同樣與水泥用量有關(guān)，但膏體材料不含粗骨料，主要為粒徑小于0.25 mm 的細(xì)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(shí)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(qū)構(gòu)筑一定寬度的高水材料充填體作為巷旁支護(hù)，進(jìn)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(shí)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(shí)在工作面回采充填后沿采空區(qū)構(gòu)筑一定寬度的矸石墻體作為巷旁支護(hù)，進(jìn)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(shí)施了矸石充填沿空留巷。

沿空留巷的典型應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用效果可詳見表1。

表1 沿空留巷的典型應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用效果Table 1 Typical application scenarios and application effects for GER

1.2 沿空留巷圍巖穩(wěn)定原理

研究實(shí)踐表明[38]，掘進(jìn)階段待留巷巷道圍巖變形較小，超前采動(dòng)應(yīng)力作用階段受本工作面采動(dòng)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(yīng)力調(diào)整和覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)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(dòng)應(yīng)力作用復(fù)用巷道變形進(jìn)一步增大。圖2 給出了沿空留巷全周期內(nèi)圍巖變形量、變形速率和留巷頂板應(yīng)力演化普適性規(guī)律。由圖2 可知，沿空留巷圍巖穩(wěn)定跟頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征息息相關(guān)。

圖2 沿空留巷全周期內(nèi)圍巖變形量、變形速率和應(yīng)力演化規(guī)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(yùn)動(dòng)特征

沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)具有明顯的階段特征。根據(jù)時(shí)間或者沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)可以劃分為多個(gè)階段。表2 給出了不同學(xué)者對(duì)于沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)劃分及相應(yīng)特征。

表2 沿空留巷各時(shí)期頂板巖層活動(dòng)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(tǒng)一認(rèn)識(shí)。一部分學(xué)者(孫恒虎、漆泰岳等)認(rèn)為留巷基本頂首先在采空區(qū)側(cè)受充填體切頂作用發(fā)生一次破斷，在實(shí)體煤側(cè)受基本頂旋轉(zhuǎn)下沉作用發(fā)生二次破斷；另一部分學(xué)者(陳勇、柏建彪等)認(rèn)為受工作面周期來壓影響留巷基本頂首先在實(shí)體煤側(cè)發(fā)生一次破斷，在采空區(qū)側(cè)受充填體切頂作用發(fā)生二次破斷。沿空留巷頂板破斷模式跟上覆堅(jiān)硬巖層厚度及強(qiáng)度、煤層開采條件、充填體支護(hù)阻力等多個(gè)因素均有關(guān)系。對(duì)于切頂卸壓沿空留巷來說，由于在采空區(qū)側(cè)人工超前預(yù)裂基本頂，留巷后基本頂巖梁將在采空區(qū)一側(cè)預(yù)裂面發(fā)生破斷。

沿空留巷頂板運(yùn)動(dòng)特征是不同時(shí)期沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)參數(shù)確定的重要依據(jù)，也是建立適宜沿空留巷圍巖力學(xué)模型的基礎(chǔ)。

1.2.2 沿空留巷圍巖力學(xué)模型

上述分析可見，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性跟頂板側(cè)向破斷結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，留巷圍巖穩(wěn)定時(shí)間同時(shí)跟頂板側(cè)向破斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和主控關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)充填式沿空留巷巷旁支護(hù)力學(xué)參數(shù)時(shí)，眾多學(xué)者建立了一些相關(guān)的沿空留巷圍巖力學(xué)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(yùn)動(dòng)力學(xué)模型、弧形三角塊穩(wěn)定法、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)承載力學(xué)模型等。各沿空留巷圍巖力學(xué)模型主要假設(shè)和支護(hù)阻力計(jì)算式見表3。

表3 沿空留巷圍巖力學(xué)模型、主要假設(shè)和支護(hù)阻力計(jì)算式Table 3 Mechanical model, main assumptions, and calculation formula of support resistance of surrounding rock for GER

可見，我國(guó)學(xué)者根據(jù)不同工況下沿空留巷特點(diǎn)和留巷頂板運(yùn)動(dòng)特征，建立了相應(yīng)的留巷圍巖力學(xué)模型，得到了不同頂板運(yùn)動(dòng)時(shí)期的充填體所需支護(hù)阻力計(jì)算式，為沿空留巷巷旁支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)和留巷圍巖變形預(yù)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

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

(2)無論基本頂是否出現(xiàn)“二次破斷”現(xiàn)象，絕大部分學(xué)者認(rèn)為基本頂在實(shí)體煤幫一側(cè)的斷裂位置位于實(shí)體煤幫彈塑性分界處。

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

1.3 沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1 沿空留巷巷內(nèi)基本支護(hù)形式

煤礦巷道支護(hù)主要分為主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)2 種形式。其中木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)均為被動(dòng)支護(hù)；錨桿(索)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)形式。早期沿空留巷巷內(nèi)基本支護(hù)形式主要為型鋼支護(hù)(工字鋼棚、U 型鋼棚)，該類支護(hù)形式支護(hù)阻力小、可縮量有限，難以適應(yīng)留巷階段圍巖大變形，巷道維護(hù)效果差，導(dǎo)致復(fù)用前還需進(jìn)行大量返修工作。20 世紀(jì)90 年代我國(guó)引進(jìn)澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)后，煤巷錨桿支護(hù)大大提高，錨桿支護(hù)成為回采巷道的主要基本支護(hù)形式。在此之后，我國(guó)沿空留巷巷道巷內(nèi)支護(hù)基本以錨桿(索)支護(hù)為主，局部破碎地段型鋼加強(qiáng)支護(hù)。受強(qiáng)烈采動(dòng)影響的沿空留巷，圍巖變形速度快、變形量大、破碎區(qū)大，沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)需要采用高預(yù)緊力、高強(qiáng)度的錨桿(索)支護(hù)，通過高強(qiáng)錨桿與錨索施加高預(yù)緊力，并有效擴(kuò)散到圍巖，有效控制圍巖中裂隙張開和新裂紋產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)面離層與滑動(dòng)，保持留巷圍巖在服務(wù)期間的完整性。

1.3.2 沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護(hù)機(jī)理及設(shè)計(jì)

錨桿支護(hù)對(duì)沿空留巷圍巖的支護(hù)機(jī)理主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

(1)錨桿支護(hù)提高沿空留巷圍巖承載能力。錨桿支護(hù)作為主動(dòng)支護(hù)，有效提高錨固體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)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(nèi)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(fā)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(shí)體煤幫的峰值強(qiáng)度，進(jìn)而提高實(shí)體煤幫的承載能力[55]。

(2)錨桿支護(hù)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(hù)阻力的同時(shí)，允許并能適應(yīng)巷道圍巖大變形，釋放圍巖變形能[56]。具體來說，錨桿(索)支護(hù)在保持對(duì)圍巖高阻力支護(hù)的同時(shí)，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?shù)男D(zhuǎn)下沉帶來的“給定變形”[57]；錨桿(索)支護(hù)通過提高實(shí)體煤幫抗變形能力，減小實(shí)體煤幫塑性區(qū)范圍，向煤幫深部轉(zhuǎn)移了留巷期間基本頂?shù)钠茢辔恢?，減小頂板下沉量和充填體載荷[58]；對(duì)于部分留巷巷道，采用錨桿加固底板與巷幫底角區(qū)域提高底板的抗變形能力，減小底臌[59-60]。

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

目前，沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)主要是沿用煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、組合拱等錨桿支護(hù)理論是根據(jù)處于彈性狀態(tài)的完整巖體提出的，而且適用于特定的條件。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要有工程類比法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬分析法。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是以數(shù)值模擬為主，并輔以工程類比和理論計(jì)算的一種綜合方法，是目前煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)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(nèi)直接頂離層為指標(biāo)的巷內(nèi)頂板支護(hù)載荷理論計(jì)算方法；陳勇[51]提出以錨固區(qū)實(shí)體煤幫的極限平衡狀態(tài)為指標(biāo)的實(shí)體煤幫錨桿支護(hù)載荷理論計(jì)算方法。沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護(hù)載荷計(jì)算式見表4，計(jì)算流程如圖3 所示。

表4 沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護(hù)載荷計(jì)算Table 4 Calculation of road-in bolt support load for GER

圖3 沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)流程Fig.3 Design process of road-in bolt support for GER

1.3.3 沿空留巷巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

對(duì)于沿空留巷，不僅受到本工作面超前支承應(yīng)力作用，更受到留巷后工作面滯后支承應(yīng)力的動(dòng)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(qū)邊緣的充填體需一定時(shí)間增阻或者矸石堆積體需一定時(shí)間壓縮平衡，因此均需要設(shè)置高阻力的加強(qiáng)支護(hù)，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(nèi)加強(qiáng)支護(hù)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(zhǎng)鋼梁、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)液壓支架等，如圖4 所示。

1.4 沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.4.1 沿空留巷巷旁支護(hù)及設(shè)計(jì)

根據(jù)充填墻體構(gòu)筑材料，沿空留巷巷旁支護(hù)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(jù)充填墻體構(gòu)筑材料力學(xué)特性可將巷旁支護(hù)分為剛性、有限可縮、大可縮量等。木垛、矸石袋巷旁支護(hù)均為大可縮量巷旁支護(hù)，支護(hù)阻力小；金屬支柱、砌塊、混凝土、鋼管混凝土墩柱巷旁支護(hù)均為有限可縮巷旁支護(hù)；高水材料巷旁支護(hù)屬于有限可縮巷旁支護(hù)，早期支護(hù)阻力大、塑性變形量大。為了實(shí)現(xiàn)充填體的有限可縮，寧建國(guó)[65]、徐金海[66]等還設(shè)計(jì)了不等強(qiáng)充填體(上軟下硬材料組合而成)支護(hù)，上部為讓壓接頂層，下部為高強(qiáng)承載層。

根據(jù)沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合多位專家提出的沿空留巷圍巖力學(xué)模型分析，沿空留巷巷旁支護(hù)機(jī)理主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：

(1)巷旁支護(hù)的高增阻速度。工作面推進(jìn)后，后方構(gòu)筑的充填體快速增阻達(dá)到一定的支護(hù)強(qiáng)度，阻止充填區(qū)域直接頂與上方巖層發(fā)生離層，保持整個(gè)頂板的完整性。同時(shí)，達(dá)到一定強(qiáng)度的巷旁支護(hù)沿充填體外側(cè)邊緣切頂直接頂?shù)溶浫蹴敯鍘r層[67]。

(2)巷旁支護(hù)的高支護(hù)阻力。留巷達(dá)到一定長(zhǎng)度后，充填體增阻達(dá)到長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度(充填體高支護(hù)阻力)，在上覆巖層和充填體的共同作用下，采空區(qū)側(cè)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(qū)。為保持留巷巷道在鄰近工作面復(fù)用期間具有一定的斷面大小，需要充填體具有較高的強(qiáng)度防止充填體出現(xiàn)較大變形。

(3)巷旁支護(hù)的高塑性變形能力。巷旁支護(hù)無法阻止基本頂旋轉(zhuǎn)下沉帶來的“給定變形”。在基本頂下沉?xí)r充填體應(yīng)具有高塑性變形能力，通過塑性變形讓壓適應(yīng)基本頂?shù)男D(zhuǎn)下沉，減少對(duì)巷旁支護(hù)的壓力，實(shí)現(xiàn)控頂載荷向側(cè)向煤體及采空區(qū)冒落矸石轉(zhuǎn)移。

(4)巷旁支護(hù)的良好密閉性能。

對(duì)于自然發(fā)火周期較短的煤層，沿空留巷充填體還應(yīng)具有良好的密閉性能，充填體構(gòu)筑期間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接頂效果，防止采空區(qū)漏風(fēng)與自然發(fā)火。

充填沿空留巷巷旁支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)主要包括充填體支護(hù)阻力(充填體寬度和充填體強(qiáng)度)和充填體剛度。目前常見的充填體支護(hù)阻力理論計(jì)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(yùn)動(dòng)力學(xué)分析法、弧形三角塊穩(wěn)定法、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)承載力學(xué)分析法等。實(shí)際上，為了提高巷旁支護(hù)效果，對(duì)于部分頂板條件不好的沿空留巷會(huì)在工作面液壓支架架間超前補(bǔ)打錨索或者液壓支架帶壓移架后迅速補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)，延緩待充填區(qū)域直接頂與上部巖層的離層[68]；對(duì)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(duì)缺口進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)[68]。

韓昌梁、張農(nóng)等[69-70]指出“如何匹配各個(gè)部分(頂板、充填體和底板)的剛度以提高支撐系統(tǒng)抵抗變形的能力對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)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(guān)鍵層破斷大結(jié)構(gòu)下“直接頂-墻體-底板”的巷旁支撐系統(tǒng)力學(xué)模型。

1.4.2 沿空留巷巷旁充填材料

根據(jù)公開的沿空留巷實(shí)踐文獻(xiàn)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(zhì)量比膏體材料、以高水速凝材料為主的高水灰質(zhì)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(shí)支護(hù)

沿空留巷充填體構(gòu)筑期間，為了保障人工作業(yè)的安全和操作空間，往往在采空區(qū)存在一定寬度的臨時(shí)支護(hù)區(qū)域(一般不超過2～3 m)。目前，沿空留巷采空區(qū)臨時(shí)支護(hù)主要有密集單體支柱配合頂梁、專用沿空留巷采空區(qū)擋矸支架(圖5)。研究表明：在充填區(qū)域外側(cè)臨時(shí)支護(hù)區(qū)域，采用專用沿空留巷采空區(qū)擋矸液壓支架適當(dāng)提高對(duì)頂板的臨時(shí)支護(hù)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(shí)支護(hù)形式Fig.5 Temporary support types for GER

1.5 沿空留巷適應(yīng)性評(píng)價(jià)與圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

目前，全球礦業(yè)朝著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展，自20 世紀(jì)90 年代學(xué)者們將人工智能技術(shù)等引入多個(gè)煤礦開采和掘進(jìn)領(lǐng)域。然而，與金屬礦山人工智能技術(shù)相比，煤礦人工智能技術(shù)難度更大，主要原因在于開采煤層賦存條件復(fù)雜、開采技術(shù)條件多樣化，尤其是沿空留巷相關(guān)大數(shù)據(jù)積累不足。目前，沿空留巷人工智能研究較少，主要為數(shù)字化和信息化在沿空留巷當(dāng)中的應(yīng)用，集中在沿空留巷適應(yīng)性評(píng)價(jià)和圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)2 個(gè)方面(表6)。

表6 沿空留巷適應(yīng)性評(píng)價(jià)與圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及應(yīng)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(yīng)性評(píng)價(jià)中的信息化與數(shù)字化

信息化與數(shù)字化技術(shù)在沿空留巷的適應(yīng)性評(píng)價(jià)可以根據(jù)相關(guān)規(guī)定、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，調(diào)查每個(gè)等級(jí)的適應(yīng)等級(jí)和范圍，并提供每個(gè)等級(jí)支持的方法。現(xiàn)有研究表明，影響沿空留巷適應(yīng)性評(píng)判的因素復(fù)雜[75,77,79]。首先，合理選擇因素集是正確評(píng)判沿空留巷適應(yīng)性的關(guān)鍵，在確定因素集時(shí)要遵循重要性原則、獨(dú)立性原則、可分性原則和普遍性原則等。其次，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，結(jié)合煤層賦存情況，參照專家經(jīng)驗(yàn)，確定各個(gè)因素對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的指標(biāo)區(qū)間，確定各個(gè)因素對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值。最后選用合適的評(píng)判方法(模糊綜合評(píng)判法、物元評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等)，圖6 為采用模糊綜合評(píng)判法分析沿空留巷適應(yīng)性流程。

圖6 沿空留巷適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法Fig.6 Adaptability evaluation method for GER

1.5.2 沿空留巷圍巖變形監(jiān)測(cè)中的信息化與數(shù)字化

沿空留巷圍巖變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信息感知、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)智能處理平臺(tái)等子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠通過各種傳感器和智能數(shù)據(jù)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)沿空留巷圍巖應(yīng)力、圍巖位移和錨桿(索)應(yīng)力等信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能[78]。數(shù)據(jù)智能處理平臺(tái)常用的計(jì)算算法為CNN 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RNN 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型多達(dá)40 種，每種結(jié)構(gòu)不盡相同，其能夠通過修正層與層之間的權(quán)系數(shù)來對(duì)欲解決的問題進(jìn)行分類或預(yù)測(cè)。總體而言，采用不同的智能算法系統(tǒng)對(duì)圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以為智能預(yù)測(cè)圍巖變形情況提供參考價(jià)值。圖7 為人工智能在沿空留巷圍巖變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用示意。

圖7 人工智能在沿空留巷圍巖變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用示意Fig.7 Application of artificial intelligence in surrounding rock deformation prediction for GER

2 我國(guó)沿空留巷面臨的難題與挑戰(zhàn)

盡管我國(guó)在薄及中厚煤層、部分厚煤層工作面沿空留巷技術(shù)取得成功應(yīng)用，但是復(fù)雜多變工程地質(zhì)條件下沿空留巷一直是制約我國(guó)沿空留巷技術(shù)應(yīng)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(qū)大柳塔煤礦52605工作面運(yùn)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(qū)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(qū)成莊礦4311 綜放工作面開展充填沿空留巷，開采3 號(hào)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(fù)雜多變工程地質(zhì)條件下工作面沿空留巷圍巖穩(wěn)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(jìn)速度快，礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，垮落帶高度大，上覆關(guān)鍵層形成的大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀況直接影響下方沿空留巷圍巖的應(yīng)力環(huán)境和穩(wěn)定[50]。強(qiáng)礦壓工作面沿空留巷圍巖受覆巖大結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)下沉“給定變形”帶來的高應(yīng)力作用，留巷圍巖穩(wěn)定所需時(shí)間長(zhǎng)。強(qiáng)礦壓工作面沿空留巷在覆巖運(yùn)動(dòng)不同時(shí)期下巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)時(shí)機(jī)仍未能形成系統(tǒng)理論。

(2)充填沿空留巷圍巖與支護(hù)體相互機(jī)制的理論認(rèn)識(shí)仍然存在缺陷。特別是對(duì)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(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撜J(rèn)識(shí)，目前的結(jié)論大都是基于各種假設(shè)條件，影響了巷旁支護(hù)體相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。

(3)巷旁支護(hù)體充填材料力學(xué)及變形特性尚不能適應(yīng)深部、強(qiáng)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(zhì)量比條件下峰值強(qiáng)度為10.4 MPa，無法僅靠充填體的支護(hù)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(qiáng)度往往處于20～40 MPa 內(nèi)，但是充填體可縮性較差不能適應(yīng)較大的頂板旋轉(zhuǎn)下沉“給定變形”，存在巷內(nèi)切頂或鉆底的威脅。

(4)沿空留巷底臌機(jī)理及控制技術(shù)尚不完善。受多次采動(dòng)應(yīng)力影響的沿空留巷底臌是所有回采巷道中最嚴(yán)重的[83]。目前，針對(duì)沿空留巷底臌主要認(rèn)識(shí)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(cè)擠壓流動(dòng)等[60,84-85]。

(5)強(qiáng)動(dòng)載或沖擊地壓沿空留巷充填體穩(wěn)定控制研究尚處于空白。目前，常用采空區(qū)下或上煤層遺留煤柱影響范圍內(nèi)下煤層沿空留巷易受上覆巖層二次運(yùn)動(dòng)或遺留煤柱集中應(yīng)力帶來的強(qiáng)動(dòng)載顯現(xiàn)；多層堅(jiān)硬頂板工作面沿空留巷易產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載或沖擊地壓危害。

(6)沿空留巷施工工藝比較復(fù)雜，施工機(jī)械化程度低，導(dǎo)致效率低、用人多、速度慢，不能滿足采煤工作面快速推進(jìn)的要求。因此，沿空留巷施工工藝優(yōu)化、施工設(shè)備機(jī)械化、自動(dòng)化改造，甚至智能化升級(jí)是非常必要的。

3 我國(guó)沿空留巷儲(chǔ)備型技術(shù)與發(fā)展展望

降本提質(zhì)、融入智能化礦山建設(shè)是沿空留巷技術(shù)持續(xù)推廣的關(guān)鍵。針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)沿空留巷技術(shù)應(yīng)用面臨的難題和挑戰(zhàn)，筆者提出了幾項(xiàng)儲(chǔ)備型技術(shù)與展望。

3.1 沿空留巷圍巖控制儲(chǔ)備型技術(shù)

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(xié)同控制技術(shù)

目前切頂留巷一般采用聚能爆破切頂，成功應(yīng)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(wěn)定性差、次生動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高，而且隔離采空區(qū)性能差，易發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃和瓦斯?jié)B漏，切頂留巷在厚煤層綜放/一次采全高工作面應(yīng)用較少。筆者團(tuán)隊(duì)在獲批的2021 年區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目《綜放開采分組有控切頂沿空留巷基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》中提出了沿空留巷有控切頂–充填圍巖協(xié)同控制技術(shù)，即沿高度方向大范圍精準(zhǔn)定向分組有控致裂切頂，沿采空區(qū)邊緣構(gòu)筑狹窄的留巷隔離體，形成留巷隔離體–矸石組合幫協(xié)同承載并有效隔離采空區(qū)；有控切頂是指采用磨料射流沿鉆孔軸向切割導(dǎo)向縫、水壓致裂裂縫沿巷道軸向定向有控?cái)U(kuò)展、分組切斷厚層堅(jiān)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(xié)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(qiáng)礦壓工作面含外加劑改性高水材料沿空留巷技術(shù)

目前，高水材料在1.5∶1 水灰質(zhì)量比條件下峰值強(qiáng)度為10.4 MPa，無法適應(yīng)一些礦壓顯現(xiàn)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(yīng)變承載特性，具有沿空留巷巷旁支護(hù)所需要的可縮性。目前，熊祖強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開展了不同發(fā)泡劑、聚丙烯纖維、復(fù)合早強(qiáng)劑等類型外加劑改性高水材料試驗(yàn)[86-87]，劉長(zhǎng)武團(tuán)隊(duì)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(xué)性能研究[88-89]。常規(guī)高水材料沿空留巷技術(shù)在強(qiáng)礦壓工作面可能會(huì)面臨充填體支護(hù)強(qiáng)度不足的難題。因此，可根據(jù)不同外加劑類型及外加劑摻量開展改性高水材料力學(xué)特性及微觀實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)不同工程地質(zhì)條件下沿空留巷巷旁支護(hù)參數(shù)優(yōu)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(qiáng)度應(yīng)能達(dá)到15～20 MPa，充填體應(yīng)變達(dá)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(hù)設(shè)計(jì)儲(chǔ)備型技術(shù)

煤礦智能化是“十四五”煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新的重要方向，筆者團(tuán)隊(duì)提出了沿空留巷數(shù)值模擬參數(shù)智能反演、沿空留巷支護(hù)參數(shù)智能優(yōu)選設(shè)計(jì)等方面的思路。

傳統(tǒng)的沿空留巷數(shù)值模擬參數(shù)多是依賴巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，對(duì)所建立的數(shù)值計(jì)算模型和采用的巖石力學(xué)參數(shù)缺乏校驗(yàn)。針對(duì)沿空留巷數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)智能反演問題，筆者團(tuán)隊(duì)建立了一套沿空留巷數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)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(chǎn)地質(zhì)數(shù)據(jù)和支護(hù)參數(shù)、鄰近工作面及回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)，建立鄰近工作面生產(chǎn)地質(zhì)特征數(shù)據(jù)－工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)一體化數(shù)據(jù)庫；② 采用數(shù)值模擬軟件(如FLAC3D)建立含鄰近工作面的沿空留巷數(shù)值計(jì)算模型；③ 針對(duì)不同巖層選擇合適的本構(gòu)模型并分別校驗(yàn)，根據(jù)巖石力學(xué)結(jié)果初步確定各巖層參數(shù)，以鄰近工作面及其回采巷道礦壓顯現(xiàn)參數(shù)(變形、應(yīng)力等)為反演目標(biāo)進(jìn)行迭代計(jì)算；④ 采用K 鄰近算法(簡(jiǎn)稱KNN)、支持向量機(jī)(簡(jiǎn)稱SVM)、隨機(jī)森林(簡(jiǎn)稱RF)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱NN)等人工智能算法，構(gòu)建鄰近工作面及其回采巷道礦壓顯現(xiàn)的代理模型，并采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歷史擬合；⑤ 最后，采用反演的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)模擬分析，從而評(píng)價(jià)沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案的圍巖控制效果。

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

筆者團(tuán)隊(duì)提出沿空留巷支護(hù)參數(shù)智能優(yōu)選設(shè)計(jì)方法(圖10)。該方法包括以下步驟：① 采集已留巷工作面生產(chǎn)地質(zhì)特征數(shù)據(jù)、已留巷工作面支護(hù)設(shè)計(jì)和留巷礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)，建立已留巷工作面生產(chǎn)地質(zhì)－工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)一體化數(shù)據(jù)庫；② 采用特征工程技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)系，確定沿空留巷圍巖變形的主控因素；③ 采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以已留巷工作面生產(chǎn)地質(zhì)和留巷支護(hù)設(shè)計(jì)特征數(shù)據(jù)集作為輸入，以留巷工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)作為輸出，建立沿空留巷圍巖變形智能預(yù)測(cè)模型；④ 計(jì)算巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)等留巷費(fèi)用、確定沿空留巷延米費(fèi)用；⑤ 采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，以留巷工作面生產(chǎn)地質(zhì)特征數(shù)據(jù)為物理約束，以圍巖變形量允許指標(biāo)、沿空留巷延米費(fèi)用最低為多目標(biāo)優(yōu)化沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)參數(shù)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。該方法可為優(yōu)化沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)、提高沿空留巷圍巖控制效果、降低沿空留巷支護(hù)成本提供理論依據(jù)和方法支撐。

圖10 沿空留巷支護(hù)參數(shù)智能優(yōu)選設(shè)計(jì)思路Fig.10 Intelligent design of GER support parameteras

4 結(jié) 論

(1)沿空留巷技術(shù)是井工煤礦無煤柱開采的重要途徑。目前，我國(guó)在不同技術(shù)類型沿空留巷、沿空留巷圍巖穩(wěn)定原理、巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)、巷旁支護(hù)技術(shù)方面均取得了較大突破，并逐步將人工智能應(yīng)用到沿空留巷技術(shù)當(dāng)中。沿空留巷技術(shù)類型方面，階段式沿空留巷主要應(yīng)用于高瓦斯礦井，復(fù)用式沿空留巷仍為主要應(yīng)用類型，充填式沿空留巷應(yīng)用范圍較切頂沿空留巷更為廣泛；沿空留巷圍巖穩(wěn)定方面，沿空留巷頂板運(yùn)動(dòng)特征是不同時(shí)期沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)參數(shù)確定的重要依據(jù)，也是建立適宜沿空留巷圍巖力學(xué)模型的基礎(chǔ)，主要圍巖力學(xué)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(yùn)動(dòng)力學(xué)模型、弧形三角塊穩(wěn)定法、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)承載力學(xué)模型等；沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)方面，基本支護(hù)主要形成了以錨桿（索）支護(hù)等主動(dòng)支護(hù)為主，加強(qiáng)支護(hù)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(zhǎng)鋼梁、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)液壓支架等；沿空留巷巷旁支護(hù)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(hù)阻力有限可縮充填體兩大類，巷旁臨時(shí)支護(hù)從密集單體支柱配合頂梁發(fā)展到專用沿空留巷采空區(qū)擋矸支架；數(shù)字化與信息化應(yīng)用方面，主要集中于沿空留巷適應(yīng)性評(píng)價(jià)和圍巖變形監(jiān)測(cè)2 個(gè)方向，智能化水平不斷提高。

(2)我國(guó)沿空留巷應(yīng)用逐漸向厚煤層綜放/一次采全高、多層硬頂（強(qiáng)動(dòng)載）工作面推廣。但受限于復(fù)雜的生產(chǎn)地質(zhì)條件，缺乏不同礦壓顯現(xiàn)特征下沿空留巷圍巖與支護(hù)體相互機(jī)制的理論認(rèn)識(shí)、適當(dāng)變形力學(xué)特性的巷旁支護(hù)體充填材料，也缺少沿空留巷底臌機(jī)理及控制技術(shù)體系。降本提質(zhì)、融入智能化礦山建設(shè)是沿空留巷技術(shù)持續(xù)推廣的關(guān)鍵。

(3)針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)沿空留巷技術(shù)應(yīng)用面臨的難題和挑戰(zhàn)，筆者團(tuán)隊(duì)提出了幾項(xiàng)儲(chǔ)備型技術(shù)：厚煤層綜放/一次采全高沿空留巷有控切頂–充填圍巖協(xié)同控制技術(shù)、面向強(qiáng)礦壓工作面含外加劑改性高水材料沿空留巷技術(shù)；針對(duì)沿空留巷數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)智能反演問題，建立了一套沿空留巷數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)智能反演工作流、提出了沿空留巷支護(hù)參數(shù)智能優(yōu)選設(shè)計(jì)方法。