我国沿空留巷围岩控制技术研究进展与展望

张自政 ， 柏建彪 ， 王襄禹 ， 徐 营 ， 闫 帅 ， 刘洪林 ， 吴文达 ， 张伟光

(1.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室, 湖南 湘潭 411201；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏 徐州211116；3.新疆工程学院 矿业与地质工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830023；4.新疆大学 地质与矿业工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047；5.太原理工大学矿业工程学院, 山西 太原 030024)

沿空留巷技术是无煤柱开采的重要途径之一，是在工作面回采期间，通过有效的支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来[1]。因此，其技术优越性体现在以下几方面[2]：① 降低巷道掘进率、缓解采掘接替紧张、提高煤炭采出率；② 针对煤层群开采，取消遗留煤柱引起的应力集中或动力灾害等；③ 提供本煤层和邻近煤层瓦斯治理场所，解决上隅角瓦斯积聚问题，优化巷道作业环境等。

20 世纪欧洲主要采煤国家苏联、英国、德国、波兰相继开展煤矿沿空留巷技术研究与应用，2018 年德国关闭最后一座煤矿，进入21 世纪俄罗斯仍在部分煤矿开展沿空留巷技术应用。我国煤矿沿空留巷技术研究与应用已超过60 a，尤其是20 世纪80 年代后我国大力推行综合机械化开采和煤矿巷道锚杆支护技术后沿空留巷得到快速发展。2010 年以来，何满潮院士提出双向聚能张拉爆破切顶卸压沿空留巷并逐步提出110 工法和N00 工法，在部分煤矿得到良好的应用与发展[3]。

笔者分析我国沿空留巷技术的主要类型、沿空留巷围岩稳定原理、沿空留巷围岩控制技术；介绍沿空留巷最新应用案例，并提出沿空留巷技术发展展望。

1 我国沿空留巷技术研究进展

1.1 我国沿空留巷技术主要类型

自20 世纪50 年代沿空留巷在我国开始应用以来，生产地质条件复杂导致沿空留巷技术类型形式多样。根据沿空留巷留下巷道是否复用，沿空留巷可分为常见用作邻近工作面回采巷道的沿空留巷(图1(a))和阶段式沿空留巷(图1(b))；阶段式沿空留巷主要应用于高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井工作面实行多进多回的通风方式(如大宁煤矿“五进两回”[4]、余吾煤业“三进一回”[5])。阶段式沿空留巷与普通沿空留巷相比具有以下特点：① 所留巷道较短，为2 个联络巷之间的距离，通常不超过150 m；② 留巷用途不同。该留巷仅用作与外U 型巷道保持通风顺畅即可，而一般留巷需要满足第2 个工作面的使用要求；③ 留巷成本要求较低。因留巷长度较短，仅经几个周期来压的影响，达到后即废弃，不经受第2 个工作面采动的影响，因而要求留巷成本较低。

图1 典型沿空留巷类型Fig.1 Typical GER types

根据沿空留巷是否构筑充填墙体，用作邻近工作面回采巷道的沿空留巷可分为充填式沿空留巷和切顶式沿空留巷(110/N00 工法)。根据切顶方法，切顶式沿空留巷主要有超前密集孔切顶[6]、超前爆破预裂切顶[7-8]、超前水力压裂切顶[9]、超前链臂锯机械切顶[10]。根据充填墙体构筑材料和构筑形式，充填式沿空留巷可分为金属支柱巷旁支护沿空留巷、木垛墙体沿空留巷、矸石袋墙沿空留巷[11]、砌块沿空留巷[12]、混凝土充填沿空留巷(柔模混凝土[13]、普通混凝土[14]、钢管混凝土[15-17])、膏体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]、充填开采矸石充填沿空留巷[24-26]等。

(1)密集钻孔切顶沿空留巷。密集钻孔切顶沿空留巷是超前工作面在采空区侧顶板采取密集大直径钻孔构造人工非连续弱化带，经过超前支承应力作用后，采空区顶板沿人工非连续弱化带垮落充填采空区，巷内顶板则保持稳定。河南古汉山煤矿底分层15032 工作面运输巷成功实施了密集钻孔切顶沿空留巷，钻孔的倾斜角度为80°，钻孔深度为18 m，钻孔间距(中–中)为200 mm、钻孔直径为50 mm[6]。

(2)爆破预裂切顶沿空留巷。爆破预裂切顶沿空留巷是工作面煤层回采前在回采巷道沿即将形成的采空区侧定向爆破预裂切顶，同时采用加强支护回采巷道顶板围岩，待工作面回采后在矿山压力作用下沿切缝将顶板切落形成巷帮。河南城郊煤矿21304 工作面轨道巷成功实施了爆破预裂切顶沿空留巷，爆破孔与竖直方向夹角15°，孔深8 m，炮孔间距600 mm，超前工作面一定距离进行双向聚能拉伸爆破[3]。

(3)金属支柱巷旁支护沿空留巷。金属支柱巷旁支护沿空留巷是在工作面回采后沿采空区架设密集金属支柱充当巷旁支护作用并实现切落一定高度顶板、阻挡采空区冒落矸石，进而将巷道保留下来。该类型留巷后来结合切顶沿空留巷思想还发展成密集单体液压支柱或者垛式单元支架配合U 型钢等沿着留巷巷道边缘布置，利用金属支护的切顶作用和挡矸作用形成金属支柱切顶沿空留巷。山西老母坡煤矿3101 薄煤层工作面成功实施了金属支柱巷旁支护沿空留巷。巷旁采用单体液压支柱(工作阻力250 kN)配合铰接顶梁和十字铰接顶梁顺巷布置，巷内布置3排辅助单体支柱，柱距500 mm，单体液压支柱穿复合铁鞋[27]。

(4)木垛墙体沿空留巷。木垛墙体沿空留巷是在工作面回采后沿采空区堆叠一定宽度的木垛墙体充当巷旁支护作用，进而将巷道保留下来。木垛巷旁支护具有成本低、劳动强度低、较灵活等优点；其缺点是可缩量大、支护阻力较小、不易控制巷道变形、不能有效隔离采空区、木材损失量大，仅适用于薄煤层。山西柳泉煤矿7103 工作面沿空留巷工程在充填体两侧使用单体液压支柱和打木垛的技术作为临时支护及在采空区侧采用锚索加强支护的支护技术手段进行沿空留巷，效果良好。

(5)矸石袋墙沿空留巷。矸石袋墙沿空留巷是在工作面回采后沿采空区堆叠一定宽度的矸石袋充当巷旁支护作用，进而将巷道保留下来。矸石带巷旁支护缺点为墙体初撑力小，初期受压变形量大，劳动强度大且隔离采空区效果差。山东王楼煤矿11307 综采工作面运输巷成功实施了矸石袋墙沿空留巷[11]，巷旁采用了4.0 m 宽锚栓网带矸石袋墙。

(6)砌块沿空留巷。砌块沿空留巷是在工作面回采后沿采空区堆叠一定宽度的砌块墙体(常为地面制作混凝土砌块)充当巷旁支护作用，进而将巷道保留下来。混凝土砌块巷旁支护的优点是增阻速度快、支护阻力大、切顶效果好、隔离采空区效果好；缺点是可缩量较小、成本高、劳动强度大。山西沙曲矿24202工作面成功实施了混凝土砌块沿空留巷，砌块墙体采用一顺一丁砌筑方式(砌块强度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区构筑一定宽度的柔模混凝土墙体充当巷旁支护作用，进而将巷道保留下来。柔模混凝土支护具有支护强度高、墙体构筑工艺相对复杂的特点，易出现支护体切顶问题。陕西榆家梁煤矿43308 工作面成功实施了柔模混凝土沿空留巷[13]。

(8)钢管混凝土沿空留巷。钢管混凝土沿空留巷是利用钢管混凝土结构的高承载力低成本优势，结合矸石袋墙体，形成以钢管混凝土墩柱为主承载体、矸石墙为辅助保护体的巷旁支护体，进而将巷道保留下来。内蒙古长城煤矿1903 北回采工作面成功实施了钢管混凝土[17]。

(9)膏体混凝土充填沿空留巷。膏体混凝土充填沿空留巷是指在工作面回采后沿采空区构筑一定宽度的膏体混凝土墙体充当巷旁支护作用，进而将巷道保留下来。膏体材料与混凝土材料类似，最终强度同样与水泥用量有关，但膏体材料不含粗骨料，主要为粒径小于0.25 mm 的细粒及混合料，具有更好的可泵性。山西沙曲矿424207 工作面成功实施了膏体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区构筑一定宽度的高水材料充填体作为巷旁支护，进而将巷道保留下来，分为高水材料净浆充填和高水材料灰渣充填2 种。山西新元煤矿3107 工作面成功实施了高水材料充填沿空留巷[29]。

(11)充填开采矸石充填沿空留巷。充填开采矸石充填沿空留巷是指工作面采用矸石充填开采，同时在工作面回采充填后沿采空区构筑一定宽度的矸石墙体作为巷旁支护，进而将巷道保留下来。山东花园煤矿1316 矸石充填工作面成功实施了矸石充填沿空留巷。

沿空留巷的典型应用场景及应用效果可详见表1。

表1 沿空留巷的典型应用场景及应用效果Table 1 Typical application scenarios and application effects for GER

1.2 沿空留巷围岩稳定原理

研究实践表明[38]，掘进阶段待留巷巷道围岩变形较小，超前采动应力作用阶段受本工作面采动影响待留巷巷道变形增大，留巷阶段受本工作面滞后支承应力调整和覆岩剧烈运动留巷巷道变形迅速增大；二次回采阶段受邻近工作面超前采动应力作用复用巷道变形进一步增大。图2 给出了沿空留巷全周期内围岩变形量、变形速率和留巷顶板应力演化普适性规律。由图2 可知，沿空留巷围岩稳定跟顶板岩层运动特征息息相关。

图2 沿空留巷全周期内围岩变形量、变形速率和应力演化规律Fig.2 Deformation amount, deformation rate, and stress evolution of surrounding rock during the GER full cycle

1.2.1 沿空留巷顶板岩层运动特征

沿空留巷顶板岩层运动具有明显的阶段特征。根据时间或者沿空留巷顶板岩层运动可以划分为多个阶段。表2 给出了不同学者对于沿空留巷顶板岩层运动划分及相应特征。

表2 沿空留巷各时期顶板岩层活动特征Table 2 Roof strata movement features during different GER stages

由此可见，沿空留巷顶板破断模式尚未有统一认识。一部分学者(孙恒虎、漆泰岳等)认为留巷基本顶首先在采空区侧受充填体切顶作用发生一次破断，在实体煤侧受基本顶旋转下沉作用发生二次破断；另一部分学者(陈勇、柏建彪等)认为受工作面周期来压影响留巷基本顶首先在实体煤侧发生一次破断，在采空区侧受充填体切顶作用发生二次破断。沿空留巷顶板破断模式跟上覆坚硬岩层厚度及强度、煤层开采条件、充填体支护阻力等多个因素均有关系。对于切顶卸压沿空留巷来说，由于在采空区侧人工超前预裂基本顶，留巷后基本顶岩梁将在采空区一侧预裂面发生破断。

沿空留巷顶板运动特征是不同时期沿空留巷巷内支护、巷旁支护参数确定的重要依据，也是建立适宜沿空留巷围岩力学模型的基础。

1.2.2 沿空留巷围岩力学模型

上述分析可见，沿空留巷围岩稳定性跟顶板侧向破断结构息息相关，留巷围岩稳定时间同时跟顶板侧向破断结构稳定和主控关键层结构稳定有关。因此，在设计充填式沿空留巷巷旁支护力学参数时，众多学者建立了一些相关的沿空留巷围岩力学模型，包括分离岩块法、倾斜岩梁法、叠加层板法、弹性薄板顶板运动力学模型、弧形三角块稳定法、结构协调承载力学模型等。各沿空留巷围岩力学模型主要假设和支护阻力计算式见表3。

表3 沿空留巷围岩力学模型、主要假设和支护阻力计算式Table 3 Mechanical model, main assumptions, and calculation formula of support resistance of surrounding rock for GER

可见，我国学者根据不同工况下沿空留巷特点和留巷顶板运动特征，建立了相应的留巷围岩力学模型，得到了不同顶板运动时期的充填体所需支护阻力计算式，为沿空留巷巷旁支护关键参数设计和留巷围岩变形预计提供了理论基础。

(1)沿空留巷围岩变形、受力和稳定性受工作面端头处形成的“弧形三角板(块)”稳定性制约，沿空留巷围岩力学模型建立、充填体支护参数确定均需考虑“弧形三角板(块)”的形成与稳定运动。

(2)无论基本顶是否出现“二次破断”现象，绝大部分学者认为基本顶在实体煤帮一侧的断裂位置位于实体煤帮弹塑性分界处。

(3)沿空留巷所需巷旁充填体支护阻力处于变化。在沿空留巷初期，即采空区侧基本顶破断前，巷旁充填体要有快速增阻和一定支护强度；在基本顶破断或者主控关键层破断前后，巷旁充填体要有足够的支护强度和适量的可缩量。

1.3 沿空留巷巷内支护技术发展现状

1.3.1 沿空留巷巷内基本支护形式

煤矿巷道支护主要分为主动支护和被动支护2 种形式。其中木支护、砌碹支护、型钢支护均为被动支护；锚杆(索)支护为主动支护形式。早期沿空留巷巷内基本支护形式主要为型钢支护(工字钢棚、U 型钢棚)，该类支护形式支护阻力小、可缩量有限，难以适应留巷阶段围岩大变形，巷道维护效果差，导致复用前还需进行大量返修工作。20 世纪90 年代我国引进澳大利亚锚杆支护技术后，煤巷锚杆支护大大提高，锚杆支护成为回采巷道的主要基本支护形式。在此之后，我国沿空留巷巷道巷内支护基本以锚杆(索)支护为主，局部破碎地段型钢加强支护。受强烈采动影响的沿空留巷，围岩变形速度快、变形量大、破碎区大，沿空留巷巷内支护需要采用高预紧力、高强度的锚杆(索)支护，通过高强锚杆与锚索施加高预紧力，并有效扩散到围岩，有效控制围岩中裂隙张开和新裂纹产生、结构面离层与滑动，保持留巷围岩在服务期间的完整性。

1.3.2 沿空留巷巷内锚杆支护机理及设计

锚杆支护对沿空留巷围岩的支护机理主要体现在以下3 个方面：

(1)锚杆支护提高沿空留巷围岩承载能力。锚杆支护作为主动支护，有效提高锚固体的峰值强度和残余强度，提高围岩自身承载能力[52-53]。具体来说一方面通过锚杆(索)将留巷巷道顶板组合成整体提高锚固范围内岩层的抗弯弯矩，增大了顶板的承载能力，尤其是通过锚索发挥顶板深部岩层承载能力[54]；另一方面通过锚杆(索)甚至注浆提高留巷实体煤帮的峰值强度，进而提高实体煤帮的承载能力[55]。

(2)锚杆支护提高沿空留巷围岩抗变形能力。锚杆自身具有较大的延伸率，在保持高支护阻力的同时，允许并能适应巷道围岩大变形，释放围岩变形能[56]。具体来说，锚杆(索)支护在保持对围岩高阻力支护的同时，将巷道顶板组合成整体，控制了顶板层间离层，减小留巷期间基本顶的旋转下沉带来的“给定变形”[57]；锚杆(索)支护通过提高实体煤帮抗变形能力，减小实体煤帮塑性区范围，向煤帮深部转移了留巷期间基本顶的破断位置，减小顶板下沉量和充填体载荷[58]；对于部分留巷巷道，采用锚杆加固底板与巷帮底角区域提高底板的抗变形能力，减小底臌[59-60]。

(3)锚杆支护降低沿空留巷巷旁支护需求。对于充填沿空留来说，采用锚杆支护的留巷顶板完整性好，可以有效传递充填体支护阻力，与充填体共同作用切断采空区侧一定高度的顶板；对于切顶沿空留巷来说，采空区边缘的锚杆尤其是锚索支护具有明显的“切顶”效应，可以有效降低超前预裂顶板的需求。

目前，沿空留巷巷内锚杆支护设计主要是沿用煤巷锚杆支护设计方法，传统的悬吊、组合梁、组合拱等锚杆支护理论是根据处于弹性状态的完整岩体提出的，而且适用于特定的条件。锚杆支护设计方法主要有工程类比法、理论计算法、数值模拟分析法。动态系统设计方法是以数值模拟为主，并辅以工程类比和理论计算的一种综合方法，是目前煤巷锚杆支护设计的主要方法[53,61-62]。具体来说，韩昌梁[63]、唐建新[64]等提出以控制留巷巷内直接顶离层为指标的巷内顶板支护载荷理论计算方法；陈勇[51]提出以锚固区实体煤帮的极限平衡状态为指标的实体煤帮锚杆支护载荷理论计算方法。沿空留巷巷内锚杆支护载荷计算式见表4，计算流程如图3 所示。

表4 沿空留巷巷内锚杆支护载荷计算Table 4 Calculation of road-in bolt support load for GER

图3 沿空留巷巷内锚杆支护设计流程Fig.3 Design process of road-in bolt support for GER

1.3.3 沿空留巷巷内加强支护

对于沿空留巷，不仅受到本工作面超前支承应力作用，更受到留巷后工作面滞后支承应力的动压作用；而无论是充填沿空留巷还是切顶沿空留巷，位于采空区边缘的充填体需一定时间增阻或者矸石堆积体需一定时间压缩平衡，因此均需要设置高阻力的加强支护，阻止顶板过大下沉和顶板岩层层间离层。目前，沿空留巷巷内加强支护形式主要有单体液压支柱配合铰接顶梁、单体液压支柱配合长钢梁、巷内加强支护液压支架等，如图4 所示。

1.4 沿空留巷巷旁支护技术发展现状

1.4.1 沿空留巷巷旁支护及设计

根据充填墙体构筑材料，沿空留巷巷旁支护有木垛、金属支柱、矸石袋、砌块、混凝土、高水材料、钢管混凝土墩柱等。根据充填墙体构筑材料力学特性可将巷旁支护分为刚性、有限可缩、大可缩量等。木垛、矸石袋巷旁支护均为大可缩量巷旁支护，支护阻力小；金属支柱、砌块、混凝土、钢管混凝土墩柱巷旁支护均为有限可缩巷旁支护；高水材料巷旁支护属于有限可缩巷旁支护，早期支护阻力大、塑性变形量大。为了实现充填体的有限可缩，宁建国[65]、徐金海[66]等还设计了不等强充填体(上软下硬材料组合而成)支护，上部为让压接顶层，下部为高强承载层。

根据沿空留巷顶板岩层运动特征，结合多位专家提出的沿空留巷围岩力学模型分析，沿空留巷巷旁支护机理主要体现在以下4 个方面：

(1)巷旁支护的高增阻速度。工作面推进后，后方构筑的充填体快速增阻达到一定的支护强度，阻止充填区域直接顶与上方岩层发生离层，保持整个顶板的完整性。同时，达到一定强度的巷旁支护沿充填体外侧边缘切顶直接顶等软弱顶板岩层[67]。

(2)巷旁支护的高支护阻力。留巷达到一定长度后，充填体增阻达到长时强度(充填体高支护阻力)，在上覆岩层和充填体的共同作用下，采空区侧基本顶甚至更上位岩层沿充填体边缘被切断，冒落的煤矸石能够充填满采空区。为保持留巷巷道在邻近工作面复用期间具有一定的断面大小，需要充填体具有较高的强度防止充填体出现较大变形。

(3)巷旁支护的高塑性变形能力。巷旁支护无法阻止基本顶旋转下沉带来的“给定变形”。在基本顶下沉时充填体应具有高塑性变形能力，通过塑性变形让压适应基本顶的旋转下沉，减少对巷旁支护的压力，实现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移。

(4)巷旁支护的良好密闭性能。

对于自然发火周期较短的煤层，沿空留巷充填体还应具有良好的密闭性能，充填体构筑期间能够实现良好的接顶效果，防止采空区漏风与自然发火。

充填沿空留巷巷旁支护关键参数主要包括充填体支护阻力(充填体宽度和充填体强度)和充填体刚度。目前常见的充填体支护阻力理论计算方法有分离岩块法、倾斜岩梁法、叠加层板法、弹性薄板顶板运动力学分析法、弧形三角块稳定法、结构协调承载力学分析法等。实际上，为了提高巷旁支护效果，对于部分顶板条件不好的沿空留巷会在工作面液压支架架间超前补打锚索或者液压支架带压移架后迅速补打锚索加强支护，延缓待充填区域直接顶与上部岩层的离层[68]；对于那种随采随冒顶板，往往超前工作面开挖缺口(充填体宽度)并对缺口进行锚网支护[68]。

韩昌梁、张农等[69-70]指出“如何匹配各个部分(顶板、充填体和底板)的刚度以提高支撑系统抵抗变形的能力对于围岩结构的稳定性至关重要”。为了确定合理的充填体刚度，建立了将直接顶、巷旁充填体和底板视为具有不同刚度的可变形体的关键层破断大结构下“直接顶-墙体-底板”的巷旁支撑系统力学模型。

1.4.2 沿空留巷巷旁充填材料

根据公开的沿空留巷实践文献可知，常用的沿空留巷巷旁充填材料有以水泥混凝土为主的低水灰质量比膏体材料、以高水速凝材料为主的高水灰质量比充填材料两大类，详见表5。

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

1.4.3 沿空留巷巷旁临时支护

沿空留巷充填体构筑期间，为了保障人工作业的安全和操作空间，往往在采空区存在一定宽度的临时支护区域(一般不超过2～3 m)。目前，沿空留巷采空区临时支护主要有密集单体支柱配合顶梁、专用沿空留巷采空区挡矸支架(图5)。研究表明：在充填区域外侧临时支护区域，采用专用沿空留巷采空区挡矸液压支架适当提高对顶板的临时支护宽度有利于控制直接顶与上方顶板的离层变形[74]。

图5 沿空留巷巷旁临时支护形式Fig.5 Temporary support types for GER

1.5 沿空留巷适应性评价与围岩稳定性监测

目前，全球矿业朝着数字化、信息化、智能化方向发展，自20 世纪90 年代学者们将人工智能技术等引入多个煤矿开采和掘进领域。然而，与金属矿山人工智能技术相比，煤矿人工智能技术难度更大，主要原因在于开采煤层赋存条件复杂、开采技术条件多样化，尤其是沿空留巷相关大数据积累不足。目前，沿空留巷人工智能研究较少，主要为数字化和信息化在沿空留巷当中的应用，集中在沿空留巷适应性评价和围岩稳定性监测2 个方面(表6)。

表6 沿空留巷适应性评价与围岩稳定性监测现状及应用效果Table 6 Review of the adaptability evaluation and surrounding rock stability monitoring in GER development

1.5.1 沿空留巷适应性评价中的信息化与数字化

信息化与数字化技术在沿空留巷的适应性评价可以根据相关规定、统计数据和实践经验，调查每个等级的适应等级和范围，并提供每个等级支持的方法。现有研究表明，影响沿空留巷适应性评判的因素复杂[75,77,79]。首先，合理选择因素集是正确评判沿空留巷适应性的关键，在确定因素集时要遵循重要性原则、独立性原则、可分性原则和普遍性原则等。其次，根据规范规定，结合煤层赋存情况，参照专家经验，确定各个因素对应不同等级的指标区间，确定各个因素对应的指标值。最后选用合适的评判方法(模糊综合评判法、物元评价法、神经网络法等)，图6 为采用模糊综合评判法分析沿空留巷适应性流程。

图6 沿空留巷适应性评价方法Fig.6 Adaptability evaluation method for GER

1.5.2 沿空留巷围岩变形监测中的信息化与数字化

沿空留巷围岩变形监测系统由信息感知、数据传输和数据智能处理平台等子系统构成的复杂系统，能够通过各种传感器和智能数据处理平台实现沿空留巷围岩应力、围岩位移和锚杆(索)应力等信息动态监测功能[78]。数据智能处理平台常用的计算算法为CNN 卷积神经网络、BP 神经网络、RNN 循环神经网络等人工神经网络算法。目前人工神经网络模型多达40 种，每种结构不尽相同，其能够通过修正层与层之间的权系数来对欲解决的问题进行分类或预测。总体而言，采用不同的智能算法系统对围岩变形进行实时动态监测，可以为智能预测围岩变形情况提供参考价值。图7 为人工智能在沿空留巷围岩变形预测中的应用示意。

图7 人工智能在沿空留巷围岩变形预测中的应用示意Fig.7 Application of artificial intelligence in surrounding rock deformation prediction for GER

2 我国沿空留巷面临的难题与挑战

尽管我国在薄及中厚煤层、部分厚煤层工作面沿空留巷技术取得成功应用，但是复杂多变工程地质条件下沿空留巷一直是制约我国沿空留巷技术应用的重大难题。近年来，沿空留巷一次采全高工作面采高仍未能突破5 m，综采放顶煤工作面沿空留巷煤层厚度少有超过7 m。例如，神东矿区大柳塔煤矿52605工作面运输巷开展充填沿空留巷，开采52 煤层均厚4.3 m、埋深为99～238 m[80]；潞安矿区五阳煤矿7602综放工作面开展充填沿空留巷，开采煤层平均厚6.0 m[81]；晋城矿区成庄矿4311 综放工作面开展充填沿空留巷，开采3 号煤层，煤层平均厚度6.3 m，平均倾角3°，埋深348～479 m[82]。造成复杂多变工程地质条件下工作面沿空留巷围岩稳定控制难的主要原因有：

(1)一次采全高工作面和综放工作面开采煤厚度大、工作面推进速度快，矿山压力显现强烈，垮落带高度大，上覆关键层形成的大结构稳定状况直接影响下方沿空留巷围岩的应力环境和稳定[50]。强矿压工作面沿空留巷围岩受覆岩大结构的旋转下沉“给定变形”带来的高应力作用，留巷围岩稳定所需时间长。强矿压工作面沿空留巷在覆岩运动不同时期下巷内支护和巷旁支护强度、支护时机仍未能形成系统理论。

(2)充填沿空留巷围岩与支护体相互机制的理论认识仍然存在缺陷。特别是对充填沿空留巷基本顶是否存在二次破断，以及二次破断的先后顺序缺乏严谨的理论认识，目前的结论大都是基于各种假设条件，影响了巷旁支护体相关参数的准确设计。

(3)巷旁支护体充填材料力学及变形特性尚不能适应深部、强矿压工作面沿空留巷。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 水灰质量比条件下峰值强度为10.4 MPa，无法仅靠充填体的支护阻力切断足够高度的顶板，常需要超前辅助切顶卸压；用于沿空留巷的混凝土材料强度往往处于20～40 MPa 内，但是充填体可缩性较差不能适应较大的顶板旋转下沉“给定变形”，存在巷内切顶或钻底的威胁。

(4)沿空留巷底臌机理及控制技术尚不完善。受多次采动应力影响的沿空留巷底臌是所有回采巷道中最严重的[83]。目前，针对沿空留巷底臌主要认识有直接底压曲、基本底挠曲、底板膨胀性软岩底臌、软岩底板向临空侧挤压流动等[60,84-85]。

(5)强动载或冲击地压沿空留巷充填体稳定控制研究尚处于空白。目前，常用采空区下或上煤层遗留煤柱影响范围内下煤层沿空留巷易受上覆岩层二次运动或遗留煤柱集中应力带来的强动载显现；多层坚硬顶板工作面沿空留巷易产生强动载或冲击地压危害。

(6)沿空留巷施工工艺比较复杂，施工机械化程度低，导致效率低、用人多、速度慢，不能满足采煤工作面快速推进的要求。因此，沿空留巷施工工艺优化、施工设备机械化、自动化改造，甚至智能化升级是非常必要的。

3 我国沿空留巷储备型技术与发展展望

降本提质、融入智能化矿山建设是沿空留巷技术持续推广的关键。针对现阶段我国沿空留巷技术应用面临的难题和挑战，笔者提出了几项储备型技术与展望。

3.1 沿空留巷围岩控制储备型技术

3.1.1 厚煤层综放/一次采全高沿空留巷有控切顶-充填围岩协同控制技术

目前切顶留巷一般采用聚能爆破切顶，成功应用于薄及中厚煤层。但是，厚煤层综放/一次采全高工作面采出煤层厚、垮落带高度大，切顶岩层厚度显著增大，而聚能爆破切顶钻孔间距一般0.5～0.8 m，厚煤层综放/一次采全高切顶留巷的钻孔量和炸药消耗量大、留巷效率低、巷道稳定性差、次生动力灾害风险高，而且隔离采空区性能差，易发生采空区遗煤自燃和瓦斯渗漏，切顶留巷在厚煤层综放/一次采全高工作面应用较少。笔者团队在获批的2021 年区域创新发展联合基金项目《综放开采分组有控切顶沿空留巷基础理论与关键技术研究》中提出了沿空留巷有控切顶–充填围岩协同控制技术，即沿高度方向大范围精准定向分组有控致裂切顶，沿采空区边缘构筑狭窄的留巷隔离体，形成留巷隔离体–矸石组合帮协同承载并有效隔离采空区；有控切顶是指采用磨料射流沿钻孔轴向切割导向缝、水压致裂裂缝沿巷道轴向定向有控扩展、分组切断厚层坚硬顶板，如图8 所示。

图8 厚煤层综放/一次采全高沿空留巷有控切顶–充填围岩协同控制示意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 面向强矿压工作面含外加剂改性高水材料沿空留巷技术

目前，高水材料在1.5∶1 水灰质量比条件下峰值强度为10.4 MPa，无法适应一些矿压显现剧烈的留巷工作面。然而，高水材料具有良好的塑性特性和高应变承载特性，具有沿空留巷巷旁支护所需要的可缩性。目前，熊祖强团队开展了不同发泡剂、聚丙烯纤维、复合早强剂等类型外加剂改性高水材料试验[86-87]，刘长武团队开展了粉煤灰–电石渣双掺、聚乙烯塑料(PE)改性高水充填材料物理力学性能研究[88-89]。常规高水材料沿空留巷技术在强矿压工作面可能会面临充填体支护强度不足的难题。因此，可根据不同外加剂类型及外加剂掺量开展改性高水材料力学特性及微观实验分析，根据不同工程地质条件下沿空留巷巷旁支护参数优选确定改性高水材料的外加剂类型及外加剂掺量。该类改性的高水材料充填体单轴抗压强度应能达到15～20 MPa，充填体应变达到0.1～0.2 阶段仍能保持10 MPa 以上的承载能力。

3.2 沿空留巷支护设计储备型技术

煤矿智能化是“十四五”煤炭行业科技创新的重要方向，笔者团队提出了沿空留巷数值模拟参数智能反演、沿空留巷支护参数智能优选设计等方面的思路。

传统的沿空留巷数值模拟参数多是依赖岩石力学试验结果和工程技术人员经验，对所建立的数值计算模型和采用的岩石力学参数缺乏校验。针对沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演问题，笔者团队建立了一套沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演工作流(图9)。该方法包括以下步骤：① 采集邻近工作面生产地质数据和支护参数、邻近工作面及回采巷道支护设计和矿压显现数据，建立邻近工作面生产地质特征数据－工作面及巷道矿压显现一体化数据库；② 采用数值模拟软件(如FLAC3D)建立含邻近工作面的沿空留巷数值计算模型；③ 针对不同岩层选择合适的本构模型并分别校验，根据岩石力学结果初步确定各岩层参数，以邻近工作面及其回采巷道矿压显现参数(变形、应力等)为反演目标进行迭代计算；④ 采用K 邻近算法(简称KNN)、支持向量机(简称SVM)、随机森林(简称RF)、神经网络(简称NN)等人工智能算法，构建邻近工作面及其回采巷道矿压显现的代理模型，并采用遗传算法实现自动历史拟合；⑤ 最后，采用反演的岩石力学参数进行沿空留巷巷内支护和巷旁支护设计模拟分析，从而评价沿空留巷支护设计方案的围岩控制效果。

图9 沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演工作流Fig.9 Intelligent inversion of rock mechanical parameters used in numerical simulations for GER

笔者团队提出沿空留巷支护参数智能优选设计方法(图10)。该方法包括以下步骤：① 采集已留巷工作面生产地质特征数据、已留巷工作面支护设计和留巷矿压显现数据，建立已留巷工作面生产地质－工作面及巷道矿压显现一体化数据库；② 采用特征工程技术挖掘数据间的关系，确定沿空留巷围岩变形的主控因素；③ 采用机器学习、深度学习技术，以已留巷工作面生产地质和留巷支护设计特征数据集作为输入，以留巷工作面及巷道矿压显现作为输出，建立沿空留巷围岩变形智能预测模型；④ 计算巷旁支护、巷内支护等留巷费用、确定沿空留巷延米费用；⑤ 采用多目标优化算法，以留巷工作面生产地质特征数据为物理约束，以围岩变形量允许指标、沿空留巷延米费用最低为多目标优化沿空留巷巷内支护和巷旁支护参数，从而指导现场施工。该方法可为优化沿空留巷支护设计、提高沿空留巷围岩控制效果、降低沿空留巷支护成本提供理论依据和方法支撑。

图10 沿空留巷支护参数智能优选设计思路Fig.10 Intelligent design of GER support parameteras

4 结 论

(1)沿空留巷技术是井工煤矿无煤柱开采的重要途径。目前，我国在不同技术类型沿空留巷、沿空留巷围岩稳定原理、巷内支护技术、巷旁支护技术方面均取得了较大突破，并逐步将人工智能应用到沿空留巷技术当中。沿空留巷技术类型方面，阶段式沿空留巷主要应用于高瓦斯矿井，复用式沿空留巷仍为主要应用类型，充填式沿空留巷应用范围较切顶沿空留巷更为广泛；沿空留巷围岩稳定方面，沿空留巷顶板运动特征是不同时期沿空留巷巷内支护、巷旁支护参数确定的重要依据，也是建立适宜沿空留巷围岩力学模型的基础，主要围岩力学模型包括分离岩块法、倾斜岩梁法、叠加层板法、弹性薄板顶板运动力学模型、弧形三角块稳定法、结构协调承载力学模型等；沿空留巷巷内支护方面，基本支护主要形成了以锚杆（索）支护等主动支护为主，加强支护主要形成了单体液压支柱配合铰接顶梁、单体液压支柱配合长钢梁、巷内加强支护液压支架等；沿空留巷巷旁支护方面，主要形成了高水材料高塑性变形充填体和混凝土高支护阻力有限可缩充填体两大类，巷旁临时支护从密集单体支柱配合顶梁发展到专用沿空留巷采空区挡矸支架；数字化与信息化应用方面，主要集中于沿空留巷适应性评价和围岩变形监测2 个方向，智能化水平不断提高。

(2)我国沿空留巷应用逐渐向厚煤层综放/一次采全高、多层硬顶（强动载）工作面推广。但受限于复杂的生产地质条件，缺乏不同矿压显现特征下沿空留巷围岩与支护体相互机制的理论认识、适当变形力学特性的巷旁支护体充填材料，也缺少沿空留巷底臌机理及控制技术体系。降本提质、融入智能化矿山建设是沿空留巷技术持续推广的关键。

(3)针对现阶段我国沿空留巷技术应用面临的难题和挑战，笔者团队提出了几项储备型技术：厚煤层综放/一次采全高沿空留巷有控切顶–充填围岩协同控制技术、面向强矿压工作面含外加剂改性高水材料沿空留巷技术；针对沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演问题，建立了一套沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演工作流、提出了沿空留巷支护参数智能优选设计方法。