1、专题部分浅谈沿空留巷技术极其应用摘要 :随着我国社会经济的不断发展,中国的煤炭工业发展迅速,特别是近些年来煤炭工业的管理模式和建设技术都有了显著的进步,对国民经济的发展起着举足轻重的作用。沿空留巷技术是煤矿开采工作面运输巷在回采过程中保留原巷道完整性,并作为下一个采面回风及运料巷的一种施工方法。采用沿空留巷技术 ,可以节省资源,加快煤矿开采的进度。目前来看,虽然我国煤炭工业建设技术明显有所提高、相关设备也有了一定程度的改进,但在煤矿开采巷道的技术选择和维护上仍存在着一些问题,如果处理不好,将会严重影响职工的生命安全和煤炭工业的稳定发展。本文将对沿空留巷技术现状进行深入的探析,并在此基础上提出一
2、些该技术施工工艺及留巷支护方式,以期为我国煤矿生产提供一些参考。关键词：沿空留巷；锚杆支护；巷旁充填沿空留巷技术是指一种能够使采矿工作面的运输巷。在回采过程中直接采用特殊支护，保留原来巷道的功效，作为下一个采面回风和运料巷道的施工方式，由于这种留存巷道的方法是在远顺槽位置上，沿着采空区边缘予以保留的 ,所以称之为沿空留巷。沿空留巷技术的应用可以最大限度地回收建设资源，减少媒体损失。因此，认真研究当前我国沿空留巷技术的现状 ,吸取教训 ,探究新工业体制下行之有效的施工和支护方法 ,是煤炭工业和社会发展的根本要求。1 绪论1.1 问题的提出及研究意义深部开采必然带来新的问题。深部的岩体处于的“三高
3、”状态，即高地应力、高温、高孔隙水压力。这必然会随采动或掘进的进行导致一系列的工程响应，如:煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等，致使巷道变形严重，从而严重影响生产效率和生命安全。随着矿山开采逐步向深部拓展，煤与瓦斯突出发生的频度和强度都逐渐增大，国有煤矿自然灾害较重。瓦斯、水、火是我国煤矿的主要灾害。原国有重点煤矿中高瓦斯矿井占26.8%，煤与瓦斯突出矿井占17.6%，除山东、内蒙古的大部分矿区为低瓦斯矿井外，其他地区的瓦斯普遍较高，并有相当一部分煤矿瓦斯涌出量大，突出次数多，强度大。近十几年来，我国煤矿的开采技术条件发生了很大变化。一是煤矿的客观地质条件和灾害条件发生了很大变化，煤炭大量开采
4、使井下开采深度迅速增加，己经出现了千米深井，开采深度普遍在500 m以上;二是随着开采深度的增加煤层沼气含量、煤和瓦斯突出增加;三是随着开采深度增加造成应力增大，甚至出现冲击地压的危险性急剧增加。这三个客观问题，已成为准备巷道提高掘进速度的主要抑制因素，同时也使回采工作面巷道变形严重。维护巷道造成人财物的大量浪费，生产受到不良影响。从主观上讲，市场经济对企业提出了如何提高经济效益少留或不留煤柱，并实现安全开采的要求。传统的U型通风方式无法解决深部采煤工作面上隅角瓦斯超限问题，随着开采深度的增加，高瓦斯煤层群采煤工作面的瓦斯涌出量将显著增大。Y型通风方式是两进一回的通风系统，即采煤工作面的上、下
5、巷都进风，而其中的副进风巷在采空区一段则变成回风巷，并由巷旁充填支护，见图1。图1-1 Y型通风工作面通风示意图它与U型通风系统相比，不仅从根本上解决了上隅角瓦斯积聚难题。而且运煤、运料设备、供电、供水等管线都在新风中，而回风巷内既无电缆、轨道，也无管路，成为专用回风巷，这样就大大提高了安全性。同时，采煤工作面机电设备散热和采空区氧化热直接进入专用回风巷，工作面两进风巷均处于进风系统，对高温采煤工作面具有明显的降温作用，同时随着科技的发展对瓦斯（煤层气）的集中抽采利用又提出了一种新的洁净能源利用方式。Y型通风在深部开采势在必行。深井沿空留巷必然会给巷道支护带来一系列的问题，如地压增大，巷道压力
6、大，其围岩变形量显著增大，支护物损坏严重，巷道翻修量剧增，巷道维护变得异常困难，深井回采巷道因围岩属性较差且受采动强烈影响，其围岩控制要比一般地下巷道困难，而其深井沿空留巷难度更大，因为沿空留巷与回采巷道不同，其巷道的一侧帮为煤体，另一侧帮为巷旁支护体，属大变形围岩，同时，还必须承受掘进和两次强烈的采动产生的叠加应力的影响，矿压显现剧烈。巷道变形收缩量大，而通过从根本上改变围岩应力来控制减小这种变化又是不可能的。构建合理的沿空留巷受力模型，确定合理的巷内支护和巷旁支护形式，并对充填体强度进行了分析，使支护体能适应深井沿空留巷围岩剧烈活动规律的要求，以推动沿空留巷技术更广泛的应用，本论文对我国深
7、部矿井实现Y型通风方式、治理工作面瓦斯超限难题、提高煤炭采出率和减少巷道掘进量具有一定的理论意义及实际应用价值，深井沿空留巷技术的发展，必将带来巨大的社会、经济效益，具有很好的推广应用前景。1.2 沿空留巷的特点1.2.1 沿空留巷矿压显现特点沿空巷道如同停采的工作面,其顶板活动规律与采场有不同之处,也有相同之处。它们之间的不同点在于采场顶板。相同点在于都是处在一侧是煤体,另一侧是采空区的特殊地段 ,而且老顶破断后岩块形成的结构也类似。沿空留巷围岩的失稳机理有如下四种。(1)切顶失稳。沿空巷道煤帮无论是老顶断裂前呈“ 悬臂梁 ”结构,煤帮作为悬臂梁的唯一支撑点,还是断裂后呈“砌体梁”结构,作为
8、两个支撑点中的一个均承受着老顶及上覆岩层较为集 中的支承压力,致使煤帮产生严重的变形和破裂,导致老顶沿煤帮切落,发生切顶失稳。(2）回转失稳。随着工作面的推进,老顶在从“悬臂梁”到“砌体梁”结构的形成过程中,老顶的断裂与 下沉是不可抗拒的。正是由于老顶断裂形成的岩块B的回转和下沉 ,使岩块C成为岩块B的另一个支撑点。如果开采的煤层厚度大 ,伪顶、直接顶厚度小,煤层回采后冒落的矸石少、充填高度低 ,岩块 C的下沉空间便会很大,致使岩块C与岩块A之间的高差增大,岩块B的倾斜增大,岩块 B与岩块 C不能铰接形成“砌体梁”结构,导致岩块B以煤帮侧为支撑点,发 生回转失稳。（ 3）破断失稳 (垮冒失稳
9、)。在煤帮和岩块C两个支点能支撑起老顶的时候 ,如果留巷巷道宽,老顶受断层等地质构造影响不完整或者厚度小、岩层差,老顶承载不了自身及上覆岩层的载荷,将会在巷道上方断裂,产生破断失稳。由于老顶破断的同时,伪顶和直接顶也随着冒落下来 ,因而又称作垮冒失稳。（ 4）冒落失稳。巷道顶板受强烈的掘进和采动影响,特别是在超前支压和采空支压的叠加作用下,导致伪顶、直接顶发生较大的位移和变形,与老顶产生离层,在岩块B的回转挤压下发生冒落失稳。1.3 国外沿空留巷技术研究的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
10、后退式的工作面沿空留巷方法以实现无煤柱开采。对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合理支护形式及新型支护材料等都进行了大量研究。在这方面做得较多的是德国、英国、波兰等国家。俄罗斯在应用沿空留巷技术方面做了大量的研究工作，在理论上，通过对顶板分类的研究，提出了一些分类方案，并指出了各类顶板下应用沿空留巷的可行性，对留巷维护中有关的参数提出了理论计算方法或经验公式，并对留巷过程中采深和岩性不同时围岩移近量的方法进行了研究;在实验室中，利用相似模拟实验研究了沿空留巷的矿压显现特点，并进行了有关材料特性、支架强度和可缩性的研究;在现场，对许多专门为沿空留巷设计的支架进行了试验，并结合理论分析和实验室研究进行
11、了各种实测工作，据报导，至1993年，俄罗斯无煤柱开采产量占80%，对不同矿区变动在60% - 90%之间，在各种无煤柱护巷方式中，应用最广的是沿空留巷，占65%。德国无煤柱开采多为沿空留巷，过去其传统的巷旁支护多采用木垛、研石带等，60年代末德国根据本国资源特点，研究成功了采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、研石加胶结料等低水材料作为巷旁充填，有效地减少了重型支架和巷道的变形，从而实现14-18 m，断面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好经济效益。目前，该国有1/2-2/3的沿空留巷采用这项技术。而且，德国在埋深800-1000m的煤层开采中成功地运用了沿空留巷技术，并通过实测得出了预计留巷移近
12、量的经验公式。英国煤层普遍较薄，多用沿空留巷，巷旁支护多采用研石带，并研制出了研石带机械化砌筑装置。同时，在提高研石带强度方面进行了不少探索，研制成功不同胶结物的胶结研石带。英国1979年在井下试验成功了高水材料巷旁充填，随后有了迅速的发展，高水材料充填己占全英巷旁充填的90%左右。英国南威尔斯大学斯麦脱（Smart）于1982年提出的岩梁倾斜理论。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。1.4 国内沿空留巷技术研究的现状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
13、可分为以下四个阶段：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研石墙作巷旁支护，巷内主要采用木棚支护，其存在着研石的沉缩量大、巷内支架变形严重、维护工作量大、工人垒砌研石的工效低、劳动强度大、安全性差等问题，其应用范围受到极大限制。第二阶段，20世纪60年代至70年代，在1.5-2.5 m厚的煤层中应用密集支柱、木垛、研石带、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。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
14、巷旁充填护巷技术，巷内多采用U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。目前国内外在应用沿空留巷时，绝大多数都要设置巷旁支护。应用较
15、广的巷旁支护主要有:木垛巷旁支护、密集支柱巷旁支护、矸石带巷旁支护、人造砌块巷旁支护以及巷旁泵充填支护技术等。我国主要矿区巷内支护见表1-1，表2统计了我国不同围岩条件下沿空留巷巷旁支护所采用的支护形式。表1-1 我国主要矿区巷内支护形式一览表矿井及工作面名称工作面地质条件巷道断面尺寸（宽高）/m2巷内支护形式平顶山一矿21052面倾角7,煤质松软，顶板中等稳定，底板为煤层，较软， 巷道断面7.9U型钢、工字钢和可缩性支架阳泉二矿61000面顶板中等稳定，底板较硬，煤质较硬（3.54.2）（1.82.3）工字钢和金属摩擦支柱徐州张集矿4204面煤层平均倾角22，直接顶1.27m，粉砂岩，基本顶11.44m，中砂岩巷道断面6.8工字钢支架和锚杆支护枣庄井亭矿6402面煤层倾角14，顶板较硬，6.5m2.52.4单体液压支柱支护表1-2 工作面围岩分类及相应的巷旁支护形式一览表工作面顶板围岩分类情况采高/m巷旁支护形式级类至级类3.0高水材料充填级类至级类3.0高水灰渣充填级类至级类2.5木密集支柱级类至级类2.0金属摩擦密集支柱级类至级类3.0混凝土砌块墙级类1.5木垛级类1.5矸石带1.5 沿空留巷待解决问题及技术难点近年来,随着我国社会经济的飞速发展
