1、专 题 部 分薄煤层小煤柱护巷技术研究摘要:本文是在巷道的无煤柱护巷技术发展及应用的背景下，针对金达煤矿工作面的生产技术条件，在分析薄煤层特殊的地质条件以及总结实际矿井留小煤柱沿空掘巷技术试验成功经验的前提下，采用现场实测、数值分析和理论研究等方法，系统研究薄煤层条件下小煤柱沿空掘巷问题，解决了金达煤矿小煤柱沿空掘巷的技术问题，使沿空巷道支护煤柱宽度合理化，以优化巷道开掘位置，从根本上改善矿井生产安全状况。 巷道锚杆支护能显著提高巷道支护效果，提高安全性，减小巷道维护量，是巷道支护技术发展的趋势。以理论计算和数值模拟方法对沿空巷道进行了锚杆支护设计，并对锚杆支护巷道变形量及锚杆受力情况进行实测
2、研究并分析了巷道支护设计的合理性和围岩控制的有效性，进而对锚杆支护设计参数进行及时修正，确保回采巷道围岩的稳定性和生产的安全性。 通过系统研究与分析，确定金达煤矿沿空巷道的开掘位置即小煤柱的合理尺寸为4m，并确定了巷道支护的合理锚杆支护参数，使巷道围岩稳定性得到良好的控制，并提高了煤层的回采率，对于薄煤层而言，具有重要的现实的经济意义。关键词:沿空掘巷，数值模拟，现场实测，支承压力，锚杆受力1绪论1.1课题研究的意义 我国煤炭资源虽然丰富，但其消耗量大。合理开采、有效利用煤炭资源，提高回采率，实现矿业的可持续发展，是目前国内外煤炭行业急需解决的问题。 但长期以来，对受工作面采动影响的巷道一般采
3、取留煤柱护巷方法。随矿井深度增加，若仍采用留煤柱方法护巷则使护巷煤柱的宽度越来越大，不仅巷道维护困难、维护费用高，较宽的区段煤柱形成应力集中，使煤柱下方的巷道维护困难，易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害;而且煤炭采出率低。从上世纪中叶，世界各国开展了无煤柱护巷技术(沿空留巷、沿空掘巷)的实验研究，并对无煤柱护巷的矿压显现规律及围岩控制进行了系统研究，推动了无煤柱护巷技术的发展。由于巷道受采动影响的程度不同，沿空掘巷的维护条件优于沿空留巷，所以我国受采动影响的巷道支护大部分采用沿空掘巷方式的无煤柱护巷技术。 小煤柱沿空掘巷技术经过不断地发展与完善，已成为矿井提高煤炭采出率的重要技术途径之一。这使
4、得小煤柱沿空掘巷的回采工作面巷道布置方式成为现实，但煤柱尺寸的留设，不同的矿区，由于其水文地质及开采技术条件、煤的物理力学性质、顶板管理方法等的不同，各矿区不尽相同，甚至差别很大。况且，以往留设的煤柱宽度造成煤炭资源的极大浪费。要提高回采率及煤炭资源的利用率，必须减小煤柱尺寸。如果小煤柱尺寸不合理，不仅不能支承顶板压力，而且不能防止采空区的水和瓦斯涌入工作面，进影响工作面的安全生产。因此，煤柱尺寸及巷道支护参数的合理确定是防止资源浪费、提高煤炭资源的回采率的重要措施，同时合理煤柱尺寸使煤柱位于应力降低区，益于巷道的维护，减小工人劳动强度和巷道维修费用。 本文就是在上述无煤柱护巷技术研究和应用的
5、背景下，分析薄煤层特殊的地质条件以及总结实际矿井留窄小煤柱的沿空掘巷技术试验成功经验的前提下，通过对小煤柱沿空掘巷顶板控制技术研究，实现薄煤层小煤柱沿空掘巷的成功实践。通过研究分析了金达煤矿薄煤层小煤柱沿空掘巷的技术存在的问题，解决了巷道支护难、维护费用高的难题，使沿空巷道支护煤柱宽度合理化，提高了煤炭资源回收率，从根本上改善了矿井生产安全状况，取得良好的经济效益。1.2国内外研究现状1.2.1小煤柱护巷技术研究概况在矿井生产实践中，沿空掘巷就是沿已稳定的采空区边缘或与采空区之间留窄小煤柱布置巷道。护巷煤柱宽度对巷道稳定性的影响主要有两方面6，14，55:(l)煤柱宽度影响巷道围岩应力;(2)
6、煤柱宽度影响巷道围岩完整性。在沿空巷道掘进时，相邻采空区岩层活动相对已经停止，其回采期间引起的应力重新分布也趋于稳定。此时，沿采空区掘进的巷道处于应力降低区，有利于巷道的维护。由于它有提高煤炭回采率，改善巷道维护等优点，在国内外煤炭行业得到了广泛的推广和应用。美国、澳大利亚是世界主要产煤国家。其中美国的采煤方法主要以房柱式开采为主，60年代初长壁式开采引入美国。为寻求尽可能大的回采率，美国十分注重煤柱尺寸的合理性。同时通过研究分析指出了煤柱的强度受煤柱尺寸、内部结构、围压以及动态载荷的控制。为了防止地表下沉和破坏生态环境，澳大利亚也在一些矿区采用留煤柱的方法来支撑顶板。与美国不同的是，他们要运
7、用的是条带开采中留设煤柱方法。这就更需要研究采宽和煤柱之间的比例关系和煤柱宽度的问题。英国也在很早就采用留设煤柱来支撑顶板的采空区处理方法。现在我国运用理论计算煤柱宽度方法就来源于英国的AH威尔逊煤柱设计公式。此外，波和前苏联也有从事窄小煤柱研究的记载。为节约煤炭资源，提高回收率，苏联对煤柱的留设问题做了很深入的研究。通过研究发现，在以往20一30m的煤柱尺寸上减小煤柱尺寸，不仅能有效的支撑顶板，防止采空区的水和瓦斯窜入巷道，还能提高回收率，减少巷道维修等。也正是这些技术的推广和合理应用，提高了煤炭资源的回收率，保证了生产系统的安全性，使得美国和澳大利亚成为世界上先进的煤炭资源生产国家。沿空掘
8、巷技术在我国的发展大体可以分为以下几个阶段:(1)萌芽阶段:20世纪50年代我国已有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术。(2)发展阶段:70年代沿空掘巷技术有所发展，并开始矿压研究，取得了可喜的成果。(3)完善阶段:80年代初期提出了沿空掘巷巷道围岩变形特征。(4)成熟阶段:90年代随着锚杆支护技术的推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展。在70年代以前，我国煤矿进行巷道布置的方法主要是学习借鉴前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤柱护巷。但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难;厚煤层分层开采或近距离煤层群联合开采时，区段煤柱造成的应力集中，不利于下分层或下层煤的开采;厚煤层分层开采时，区段煤柱易
9、于引起层自然发火;煤巷采用炮掘法施工，掘进速度慢，双巷布置时准备时间较长。因此，自上世纪70年代后期，我国开始试验推广跨上山沿空掘巷(或沿空留巷)技术。目前，在厚、特厚煤层分层开采中仍主要采用这种布置系统，包括充州矿区在内的许多采用综采放顶煤开采技术的矿区也主要沿用了这种系统。自上世纪80年代初试验综合机械化放顶煤开采以来，我国技术水平已处于国际领先地位，初步解决了储量和产量占我国38%的厚煤层开采问题。1998年以来年产超200万t的综采队中的约80%采用放顶煤开采法，并且综采队创立了历年超过300万t、400万t的全国综采纪录。由上述可知，综放开采已经成为我国高产高效矿井建设的主要技术手段
10、之一。但是为保持巷道处于良好的状态，在煤层巷道旁边需要留设一定尺寸的护巷煤柱。区段运输巷与区段回风巷都是回采工作面运输、通风、行人的重要通道，必须处于良好的维护状况才能保证矿井安全生产的正常进行。如果当矿山压力超过煤柱本身强度时而引起煤柱的破裂，则煤柱失去护巷作用。因此，护巷煤柱必须具有一定的尺寸。从理论上讲，沿空巷道布置在靠近采空区塑性变形区即内应力场区内，小煤柱宽度与巷宽之和必须小于塑性变形区(内应力场的影响范围内)的宽度才能保证下区段巷道的安全。小煤柱的合理尺寸与埋深、顶底板岩石性质、煤层倾角、采空区的范围、顶板管理方法、煤柱本身的物理力学性质等因素有关，而且各因素之间的关系复杂。到目前
11、为止，各种煤柱尺寸的理论计算方法都不能全面和准确地反映所有因素对合理煤柱尺寸的影响。因此沿空掘巷煤柱尺寸的确定，不能单纯以理论计算来确定，必须通过现场实测和总结大量现场实际资料来解决，并辅以数值模拟方法加以验证，最终还需通过锚杆支护巷道的矿压动态监测判断实践效果。在煤炭资源日趋紧张的今天，小煤柱护巷技术的发展及应用对于提高煤炭回收率，解决目前巷道支护维护方面的诸多问题方面具有重要的理论和现实意义。1.2.2锚杆支护技术研究综述由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现己发展成为世界各国矿井巷道以及其他地下工程支护的一种主要形式。早在40年代，美国、前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、金属
12、矿山、水利、隧道以及其他地下工程中迅速得到了发展。美、澳等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了100%，西欧、中欧一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护技术。总揽先进国家的经验，锚杆支护技术的发展特点58有:(1)建立一套适合本国本矿地质技术水平的锚杆支护设计方法;(2)结合巷道围岩地质和生产技术条件，发展适宜的高强度锚杆;(3)建立锚杆支护监测技术，确保锚杆支护巷道的安全，为完善修改锚杆支护设计提供反馈信息;(4)研究开发锚杆支护配套机具，提
13、高巷道掘进速度、保证锚杆支护施工质量。 我国从1955年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今己有50余年的历史。60年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段等还不够完善，因而发展缓慢。九五期间，锚杆支护技术研究作为重要科研项目而有力的推动了煤巷中锚杆支护的发展。发展煤巷锚杆支护是我国继推行综采后的第二次重大支护技术革命，将给我国煤矿带来巨大的技术经济效益。 近几年，国内外锚杆支护提高巷道围岩力学性能的研究，对支护巷道进行系统布置锚杆后，锚杆支护的围岩可看作是力学参数提高而均化的岩体等。
14、侯朝炯、勾攀峰结合煤巷埋藏深、受动压影响、地应力大、围岩松软破碎的特点，通过相似材料模拟实验和理论分析，研究锚固体在应力峰前、峰后、残余强度阶段的力学行为，提出了锚杆支护围岩强度强化理论。 目前的巷道锚杆支护设计方法基本上可归为三大类57:(l)工程类比法，包含简单的经验方式;(2)理论计算法;(3)以计算机数值模拟为基础的设计方法。工程类比法在我国巷道锚杆支护设计应用中占有相当广泛的主导地位，主要有以回采巷道围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法和巷道围岩松动圈分类与支护设计建议等。理论计算方法主要有悬吊理论法、冒落拱理论法、组合梁理论法等。由于各种理论计算法所依据的理论基础不同，加以计算中
15、的一些参数难以可靠确定，所以计算结果存在一定的局限性，其计算结果的可行性和有效性是有条件的。 锚杆支护理论成果用于指导锚杆支护实践，促进了锚杆支护安全、快速发展。 随着计算机技术的发展与应用，借助数值模拟进行锚杆支护设计有了较大的发展。尽管存在不同的观点，但人们逐步认识到结合现场观测、借助数值模拟应力应变分析是地下岩石结构设计和分析的重要手段。1.2.3存在的问题 薄煤层锚杆支护的沿空掘巷支护技术存在以下几个方面: (1)护巷小煤柱的宽度决定巷道围岩应力的大小与围岩完整性，如何确定小煤柱的宽度和沿空掘巷时间，保持小煤柱的稳定，保持巷道稳定，提高采出率，有待于薄煤层沿工作面倾斜方向的矿山压力显现
16、规律以及沿空掘巷围岩应力特征和变形破坏规律的深入研究。 (2)实现矿井的高产高效的前提是保证沿空巷道的安全可靠，以保证工作面的连续快速的推进。随着巷道锚杆支护技术的推广及应用，迫切需要采取有效措施优化巷道的锚杆支护参数。1.3研究内容 本文研究的主要内容如下: (l)薄煤层小煤柱合理尺寸的确定; (2)沿空掘巷合理时空关系; (3)回采巷道锚杆支护参数选择与优化; (4)煤巷锚杆支护效果监测和反馈。1.4研究的方法与技术路线 本文采用的研究方法:充分利用计算机技术、分析判断、推理，从工程地质和力学机制着手，采用理论分析、数植模拟和现场实测的方法，对薄煤层小煤柱护巷技术进行综合系统分析，确保小煤柱护巷支护方案的合理性和有效性，保证工程质
