1、专题部分综放沿空留巷围岩应力控制及支护技术研究摘要 沿空留巷技术是工作面采煤后沿采空区边缘维护原回采巷道的护巷方法。这种技术完全取消了区段煤柱，有利于区段间工作面的接替，由于留巷期间所留巷道的维护难度较大，需要在巷旁支护，该方法多应用于薄及中厚煤层中。关键词 沿空留巷 区段煤柱 巷旁支护 围岩应力1 绪论1.1 问题的提出及研究意义随着国内煤层厚度越来越大，可采用的开采技术有分层开采和一次性采全高。分层开采需铺设假顶、巷道掘进量大、管理复杂以及防治煤层自燃的难度较大的缺点。若煤层厚度大时，采用一次采全高，势必煤矿的投入会很高。现在普遍采用综合机械化放顶煤开采。综合机械化放顶煤开采技术起源与20
2、世纪50年代的欧洲，真正获得发展并逐步成熟归功于我国。与分层开采相比，放顶煤采煤方法在技术和经济上的优越性如下：高产高效、巷道掘进率低、工作面搬家次数少、吨煤成本低、对地质条件和煤层赋存条件变化适应性强等优点。综合机械化放顶煤开采是我国煤矿实现高产高效并具有国际领先水平的一项先进生产技术，其中有关的岩石力学问题已引起许多学者的关注。而沿空留巷技术取消了区段煤柱，可以提高煤炭资源的采出率；同时有利于区段间工作面的接替，这在很大程度上节省了工作面搬迁的麻烦。综采放顶煤技术与沿空留巷技术相结合，可以发挥两者的优点。综放沿空留巷技术是采用“Y”形通风方式解决综放高产高效工作面瓦斯积聚与超限的关键技术。
3、它可以实现往复式开采，并可以消除孤岛工作面但这给研究巷道围岩控制及支护增添了难度。在大量工程实践基础上，研究了综放沿空留巷的矿压显现规律，分析了沿空留巷的主要参数及其适应性 ，并根据实验结果分析了综放沿空留巷老顶两种破断方式及其对围岩变形的影响 ，对于合理使用综放沿空留巷技术具有一定的指导意义。1.2 研究现状1.2.1 国内研究现状沿空留巷技术自20世纪50年代在我国开始使用以来，一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。目前为止，我国在沿空留巷理论与技术研究方面做了大量的工作，在条件较好的薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已日趋完善，巷旁支护、巷内支护、加强支护及煤帮加固技术已趋成熟，但在条
4、件困难的中厚煤层或厚煤层较大断面巷道中采用沿空留巷技术仍存在着一些技术难题，使得一些矿井在应用沿空留巷技术时没有取得预期的效果，甚至留巷失败，从而限制了沿空留巷技术在我国更广泛地推广应用。张东升教授和谢文兵教授针对综放沿空留巷的技术难点，在分析综放沿空留巷围岩结构力学模型的基础上，提出了巷内充填原位沿空留巷的新技术。此项技术有两个关键方面：一是大断面全煤巷道顶煤完整性的维护；二是大体积长距离充填体的整体稳定性控制。对巷内基本支护为梯形金属支架的原有巷道，提出了实施此项新技术的具体方案。现场工业性试验表明，该项技术的应用是成功而有效的，可在类似条件的综放工作面推广应用孙恒虎教授等5根据煤层顶板特
5、征和弹塑性力学的有关理论，将长壁工作面沿空留巷的煤层顶板简化成了层间结合力忽略不计的矩形“叠加层板”，认为沿空留巷支护载荷只与短支承边界的载荷有关。郭育光教授等研究6认为，巷旁支护应具有早期强度高、增阻速度快的特点，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，避免与上部基本顶离层，并切断直接顶，减小巷旁支护载荷，控制巷道变形。随着工作面推进，巷旁支护阻力应达到切顶阻力，当基本顶弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。垮落的矸石由于破碎后体积增大，当充满采空区时，更上位岩层在煤体和矸石的支撑下，达到运动平衡，巷道围岩变形趋向缓和。采高决定巷旁支护的切顶高度。巷旁支护阻力大小应根据块体不同时期的平衡条件
6、推导出不同时期的巷旁支护阻力的计算公式。谢文兵教授等在工程实践基础上，采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件建立相应的数值分析模型，详细分析了综放沿空留巷围岩移动规律，系统分析了基本顶断裂位置、端头不同放顶煤长度、原有巷道支护技术、充填体宽度、充填方式和充填体强度对综放沿空留巷围岩稳定性影响规律，得出了许多有益的结论。研究结果表明，在保证顶煤及顶板稳定前提下，合理利用围岩移动规律，确定合理充填方式和充填体强度，既可以保证充填体稳定，又可以达到很好的留巷效果。中国矿业大学陆士良教授编著无煤柱护巷矿压显现研究，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于“裂隙带岩层取得平衡前的强烈降沉”的重要观点8。谢文
7、兵等教授针对综放沿空留巷围岩控制关键技术, 分析了充填体宽度和材料特性对综放沿空留巷围岩稳定性的影响，探讨了提高充填体抗变形能力的措施。巷旁充填前有效地控制巷道围岩过度变形，防止顶煤垮落是实施巷旁充填的前提。因此采用锚索配合锚梁网主动支护方式加固顶板和煤壁侧帮, 以充分发挥围岩的自承能力。在此基础上, 通过控制充填材料承载特性和变形性能,改进充填工艺, 使充填体适应顶板活动规律, 是综放沿空留巷成功的关键。提出了三种模型进行研究。在回采工作面过石门时, 由于支承压力的影响, 造成回采工作面及石门管理的难度, 为了解决这个问题, 从矿压理论到现场矿压观测、分析, 必须对石门进行有效的支护管理。在
8、管理石门的方法中, 采用充填法可以有效充填支撑巷道, 对开采工作面的矿压产生一定的影响。而使用木垛法管理, 石门充填不实, 回采过程中, 工作面会出现片帮、掉顶、支柱钻底等严重现象, 工作面管理困难; 使用充填法管理石门时, 石门充填实, 工作面回采过程中, 出现上述现象不十分明显, 工作面好管理。但是, 在瓦斯较大的工作面使用这种方法时，由于石门管理长度较长, 石门内容易积聚瓦斯, 而采用下部充填、上部打小木垛的方法可解决瓦斯问题。中国矿业大学朱德仁博士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，人们认识到沿空留巷的矿压显现规律与采场老顶的关系，采场老顶结构力学模型为人们研究沿
9、空留巷矿压显现规律提供了启示和契机。何廷峻根据MARCUS板的简化计算法，把三角形悬板看成由若干伪倾斜条梁组成的板，进一步研究了老顶在工作面端头形成的三角形悬板对沿空巷道的危害，并对悬顶破断结构进行了分析，并尝试预测三角形悬顶在沿空留巷中的破断位置和时间，为确定滞后加固沿空巷道的时间和长度提供了理论依据。中国矿业大学张东升教授采用相似模拟材料模拟和计算机数值模拟，对沿空留巷老顶的破断位置与形状、不同支护方式对顶板活动的影响以及巷旁充填技术参数的确定进行了初步分析，并给出了充填带宽度和充填材料抗压强度的最低要求。王金安教授等通过数值计算得出综放沿空留巷巷道周边的垂直应力分布, 并根据垂直应力分布
10、来判断巷道周边松动区的范围, 近似认为垂直应力小于原岩应力的区域为松动区, 从而得到了不同煤柱宽度时综放沿空留巷的松动圈厚度, 并根据计算的松动圈厚度进行了锚杆参数设计。通过现场验证, 取得了较好的支护效果。根据沿空留巷巷内和巷旁支护方式，我国沿空留巷技术的发展历程，大致可分为以下四个阶段。1）第一阶段，20世纪50年代起，在煤厚1.5 m以下的煤层中尝试着用矸石墙作巷旁支护，巷内主要采用木棚支护，其存在着矸石的沉缩量大、巷内支架变形严重、维护工作量大、工人垒砌矸石的工效低、劳动强度大、安全性差等问题，其应用范围受到极大限制。2）第二阶段，20世纪60年代至70年代，在1.52.5 m厚的煤层
11、中应用密集支柱、木垛、矸石带、砌块等作为巷旁支护，巷内多采用木棚、工字钢梯形支架支护，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的应用。3）第三阶段，20世纪80年代至90年代，在大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的沿空留巷技术的基础上，发展了巷旁充填护巷技术，巷内多采用型钢可缩性金属支架。90年代初期，沿空留巷理论与技术有了较大的发展，但由于巷内支护大多为被动支护，加之巷旁充填技术还不完善，其支护技术难以适应大断面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技术应用范围又呈减少趋势。第四阶段，21世纪以来，随着锚网索支护技术的推广应用和巷旁充填技术的不断完
12、善，我国有些学者在厚煤层综放工作面进行了沿空留巷技术试验研究，如潞安矿务局常村煤矿S2-6综放工作面，巷内采用锚梁网索联合支护，巷旁支护运用高水材料充填加上空间锚栓加固网技术，进行综放大断面沿空留巷试验，并取得初步成功。1.2.2 国外研究现状世界一些主要产煤国家为了达到少掘巷道增加煤炭资源的回收率，增加生产的连续性，提高矿井的经济效益的目的，而采用往复式“Z”形开采，前进式和后退式的工作面沿空留巷方法以实现无煤柱开采。德国的巷旁采用硬石膏飞灰加硅酸盐水泥，矸石加胶结料等低水材料充填，目前该国有1/22/3的采区采用这项技术。英国、波兰也发展了这项技术。高水材料巷旁充填是更为先进的一种充填技术
13、，英国于1979年在井下试验成功随后得到迅速的发展，已占全英巷旁充填的90%左右，德国也引进了这项技术。国外沿空留巷研究已有较长的历史，英国学者Whittaker等人将采场矿压研究的Wilson模型加以发展，利用岩体结构静力关系提出了分离岩块力学模型(Detached Block Theory)；苏联学者B.胡托尔诺依将采场矿压悬梁模型推广到沿空留巷的研究中，得到了计算巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式。英国南威尔斯大学斯麦脱(Smart)等人提出了顶板倾斜力学模型(Roof Beam Tilt Theory)，这种方法的基本思想是限制巷道煤体一侧到采空区边缘之间的顶板的下沉量，提出了顶板倾斜
14、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。该理论认为巷旁支护对巷道基本顶起控制作用，主张用控制巷道煤柱侧和巷旁支护侧的顶板下沉量，即控制顶板倾斜度的方法作为设计巷旁支护工作阻力和可缩量的依据。国外对沿空留巷巷旁支护机理及方法进行了深入的研究和大量的工程实践，取得了大量的成果。但是，一直应用金属支架作为巷内支护的一般方法，经过2次动压作用的沿空留巷，围岩变形量较大，金属支架难以适应沿空留巷围岩的大变形，支架破坏严重，巷道维护效果较差。采用锚杆支护作为综放沿空留巷巷内支护方式在国内外尚不多见。1.2.3 存在的问题1）采用数值模拟软件对综放沿空留巷周围巷道结构进行模拟，但由于实际中的情况
15、远远比较复杂，不能完全掌握。2）现在综放沿空留巷技术正处于未成熟阶段，有许多问题尚未解决。3）由于放顶煤煤层厚度较大，工作面推过以后围岩对巷道的应力影响不尽相同，这也给研究工作带来了诸多不便。4）巷旁支护阻力计算，以往建立的巷旁支护阻力计算模型都没有考虑动压的影响，与实际情况相差甚远。1.2.4 研究内容及方法综合运用理论分析、计算机数值模拟、现场实测等手段，以涡北煤矿为典型实例，对涡北煤矿综放沿空留巷顶板控制技术进行研究。主要研究内容如下：1）利用数值模拟软件，对综放沿空留巷进行数值计算，分析综放沿空巷道围岩的受力状态、变形状况及变形规律；2）借助数值模拟结果，分析巷旁充填体宽度对综放沿空留
16、巷顶板稳定性的影响，进而确定巷旁充填体的合理宽度，为沿空留巷工程实践提供参考依据；3）根据现场矿压观测的实测数据，总结出综放沿空留巷的围岩活动规律。2 综放沿空留巷围岩结构沿空留巷受到回采工作面引起的顶板剧烈运动影响，同时由于巷旁支护体的支护作用，其围岩变形有着独特的特点。沿空留巷围岩结构如图21所示。沿空留巷围岩位移与普通巷道相比，其最大的特点是与基本顶岩层回转运动密切相关。沿空留巷顶板位移主要由煤帮侧下沉量，基本顶岩层回转引起的下沉量及顶板岩层扩容变形量组成。因此，基本顶断裂位置、煤帮支护方式与参数、顶板支护形式与参数、巷内加强支护方式及巷旁支护形式、参数与力学性能(如充填体尺寸、充填方式、充填体强 度等)，对沿空留巷围岩变形都有直接影响。图21 沿空留巷围岩结构3沿空留巷围岩应力分布用垮落法开采，采空区顶板
