1、沿空掘巷技术及其应用研究摘要：沿空掘巷是在上区段工作面回采引起的采动影响稳定以后沿采空区边缘掘进的巷道。无煤柱护巷或窄煤柱护巷是采煤技术的一项重大改革,它对提高煤炭资源回收率，改善巷道维护.降低巷道掘进率。消除因留煤柱和丢煤而引起的井下灾害有明显效果。随着无煤柱护巷技术的应用和发展,在采区巷道布置等方面产生了相应变化。沿空掘巷技术的关键在于选择合理的巷道布置位置，确定合理的煤柱宽度，选择合理的支护方法和支护参数。关键词：沿空掘巷；窄煤柱；矿压显现1 沿空掘巷巷道布置方式1.1 紧贴采空区的沿空掘巷1.1巷道断面及形状该布置方式可适用于走向长壁或倾斜长壁后退式采煤法,由于紧贴采空区掘进,部分地段
2、可见采空区矸石,沿空掘巷期间巷道压力不大,整个巷道无明显变形,回采期间由于采动压力影响和其它原因支架变形较大,但基本能保证正常生产。1.2 留小煤柱的沿空掘巷沿空掘巷时,为了防止从采空区向巷道窜矸或采空区积水和有害气体进入巷道,在巷道与采空区之间留13m小煤柱,掘进过程中无明显压力,局部地段可能有采空区渗水,但不影响施工,工作面采动影响期间影响不严重,可能在风巷靠近采空侧出现部分底鼓、挤帮现象。回采期间除进行超前支护外,不需要进行大的维修。以上两种沿空掘巷方式,当区段按顺序接续开采时,难以避免下区段的掘进受上区段回采的影响,为了克服此缺点,可以采用跳采的方式。1.3 留临时大煤柱沿空掘巷在要求
3、上.下区段按连续顺序接替回采,采区的条件又不适于应用间隔开采沿空掘巷时,为了避免下区段掘进工作受上区段采动影响,可采用留临时大煤柱的沿空掘巷方式。这种方案的实质是在掘进下区段的风巷时用尺寸较大的煤柱与上区段采空区隔离,以免巷道掘进受到上区段影响。本区段回采时又从采空区边界沿上区段采空区边缘与采面推进方向同向掘一条回风小平巷,以便回收临时大煤柱时构成通风回路。该小平巷超前距离只要稍大于联络眼的间距,并可随采随废。采用这种方式后不仅巷道压力小,维护条件大为改善,甚至可无须维护,几年内就减少煤炭损失达上百万吨。1.4 厚煤层沿空掘巷厚煤层沿空掘巷的原理与中厚煤层相同,但由于厚煤层常进行分层开采,加上
4、厚煤层开采对防火防沼气往往有更高的要求,所以其巷道布置一般较薄及中厚煤层复杂。2 沿空掘巷围岩结构力学模型及矿压显现规律沿空掘巷围岩变形是由于顶板岩层的挠曲运动而引起支承压力重新分布所致。开采引起煤体上方顶板以一定的垮落角依次向采空区延伸，形成组合悬臂粱结构，悬露顶板及部分覆岩重量被转移到实体煤上，断裂岩梁在采空区内以冒落岩体为支点因此，由于覆岩悬臂岩梁平衡结构的保护，在工作面外侧一定范围内存在一个压力降低区，如果在这个区域沿空掘巷，巷道后期变形小，维护任务轻，即合理控制覆岩断裂线的位置，就可有效地避开支承压力峰值对巷道的影响。2.1沿空掘巷围岩结构力学模型采煤工作面关键层结构分析主要考虑结构
5、块之间的作用力、冒落矸石的支撑力及上覆软岩层和关键层的自重，考虑结构自身的平衡；而沿空掘巷的关键层结构还要受到下方煤体(小煤柱)的支撑。沿空掘巷一侧为未开采的实体煤，另一侧为上区段采空区，上区段工作面顶板在实体煤侧为固支边，对沿空掘巷围岩稳定性影响最大的关键层主要是顶板，因此，在承压小煤柱的支撑作用下，研究工作面端头顶板断裂线的不同位置对沿空掘巷围岩稳定性的影响是研究问题的关键。根据顶板的破断、运动特征，对小煤柱沿空掘巷围岩结构进行简化，建立沿空掘巷围岩结构力学模型模型选取采煤工作面上覆岩层为顶板，简化为梁结构(如图2-1)。为顶板上覆岩层引起的载荷，0D段为工作面上覆岩层，OA段为采空区，A
6、B段为预留的支撑小煤柱，BC段为沿空巷道，CD段为未开采实体煤层结构模型中，挠度取竖直向下为正方向，粱的抗弯强度EI为常数。图2-1 沿空掘巷围岩结构力学模型煤柱与未开采煤层对梁（直接顶）的作用按弹性地基处理，即，（1）， （2）式中：，为Winkler地基系数，与粱下垫层的厚度及力学性质有关， 为煤体弹性模量，为梁下地基垫层厚度。设梁OD是均质、各项同性的线弹性材料，则其挠曲线方程为， （3）其中，载荷边界条件为 （4）连续性条件：A，B，C 3处，挠度、转角、弯矩及剪力都相等。在边界条件和连续性条件下，方程(3)通解为式中：常数，为待求参数，由边界条件及A，B，C处连续性条件决定；，。通过
7、MATLAB编程，可得到，关于变量，的16个关系方程。此处， 均为采场实际情况的观测量，是根据AB段承压小煤柱的注浆加固支护程度测得的相应数值，因此每一个值都将对应一组，数值，即对应一组关键岩梁OD的弯矩值因此，通过对承压小煤柱进行分阶段两次注浆加固，可以改变顶板断裂线的分布位置，从而对巷道围岩变形进行控制。2.2 沿空掘巷矿压显现规律2.2.1 支撑压力沿煤层倾斜的显现规律通过我国大量矿压观测和有关研究表明,沿煤层倾斜方向的支承压力一般分布形式（见图2-2）。图2-2 支承压力一般分布形式图煤体边缘低压区；ab强烈显现区；峰值位置；L影响总范围根据统计资料表明,沿倾斜支承压力显现的有关参数变
8、化很大,时，而。研究表明,支承压力峰值距煤体边缘的距离（即塑性区宽度）与煤层坚固性系数、顶板单向抗压强度、煤层采高、煤层倾角、采深等因素有关，可根据实测资料得到回归公式进行近似计算。2.2.2 沿空掘巷与留煤柱护巷矿压显现对比沿空掘巷与留煤柱护巷矿压显现对比由于煤体边缘存在低压区.该处布置巷道显然会有利于减轻巷道受压.因而使沿空巷道较易维护.顶底移近量比留煤柱护巷要小。2.2.3 回采工作对沿空掘巷的影响规律根据对回采引起的煤层上方岩石运动全过程的观测.采动影响从发展、剧烈到缓和、平稳，在巷道中的一般显现规律（图2-3），超前于回采工作面开始呈现出明显的采动影响，在工作面后方范围内采动影响最为
9、强烈，顶、底板移近量可达，至后方处采动影响趋于缓和， 处围岩移动达到稳定.这时顶(底板移近量已降到以下，此时进行沿空掘进才能使掘出的巷道不受采动影响，容易维护。图2-3 巷道规律显现示意图2.2.4 沿空掘巷时巷道内矿压显现规律统计资料表明：沿空掘巷时顶底总移近量并不大.一般在300mm以下，但巷道两侧顶底移近量明显不同，一般是靠采空侧大于靠煤体侧，其比值约为。此外沿空巷两帮向巷道内的水平移动也较明显。多数巷道的两侧顶压也不同，一般是靠采空侧顶压大而靠煤体侧小，其比值约为，此外巷道两帮侧压也不同，多数情况下是煤体侧大于采空侧，表现为靠煤体侧的棚腿折损率大于靠采空侧。3 沿空掘巷的最佳位置通常，
10、在研究支承压力分布及其显现随上覆岩层运动而变化的规律的基础上，通过实测确定具体采场的支承压力分布特征，特别是低应力区的范围和稳定时间，然后确定巷道开掘的合理位置，使其避开高应力区和高应力作用期，最大限度地减轻支承压力集中区的影响。在存在内应力场的条件下，可能的掘巷位置有3种(见图3-1)。由煤体上方支承压力分布规律可以看出，在位置2掘进巷道，正处于支承压力高峰区，巷道不易维护；在位置3掘进巷道，虽然巷道比较容易维护，但煤柱损失比较大，故这两种位置都不可取。因此沿空掘巷的最佳位置为位置1所示的小煤柱掘巷，最佳煤柱尺寸应是满足煤柱不发生裂隙向采空区漏风、不诱发自燃的最小煤柱尺寸。图3-1 巷道掘进
11、位置1小煤柱沿空掘巷 2外应力场中的煤柱护巷 3原始应力区的大煤柱护巷4 沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计4.1 空掘巷窄煤柱的留设原则沿空掘巷的围岩力学环境与其它类型的回采巷道相比，一般具有以下三个显著的特点：巷道处于应力降低区；掘巷期间巷道围岩的应力集中程度小；回采期间巷道围岩的应力集中程度很大。基于上述特点确定沿空掘巷窄煤柱宽度应该遵循的原则：1)巷道位于应力降低区，根据采空区侧向应力分布规律，要求煤柱尽量窄。当巷道位于应力降低区时，窄煤柱及巷道的稳定性均较好。2)有利于巷道稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎，顶板及实体煤帮也比较破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。3)有利于锚杆锚固。煤柱过窄时，窄
12、煤柱破碎，不利于窄煤柱帮锚杆锚固，影响巷道支护效果。4)采出率高。煤柱越小，采出率越高，在满足巷道岩稳定的前提下，尽可能减小窄煤柱宽度。5)煤柱不能过宽。煤柱过宽，既不利于减小煤炭损失，又容易形成应力集中影响巷道围岩的稳定。4.2 煤柱合理宽度的理论计算4.2.1 试验巷道地质概况某矿09113工作面开采8号和9号煤层，中间含薄层夹矸，采高36m，工作面长度187m，煤层平均埋深300m，平均倾角8，赋存状况稳定。091 13工作面运输顺槽为矩形断面，宽高为45mx36m。试验巷道采掘平面图如图4-1所示。图4-1 试验巷道采掘工程试验图4.2.2 理论计算窄煤柱的宽度极限平衡理论研究认为，窄
13、煤柱合理的最小宽度B为： (5)式中，为上区段工作面回采在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区的宽度，可以按照式（2）计算： (6)式中 沿空掘巷窄煤柱一帮锚杆的有效长度，再增加15%的富裕系数，m； 考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，按计算； m上下区段平巷高度，m； 坝4压系数，A； 煤层的内摩擦角，()； 谋层的粘聚力，MPa； k应力集中系数，一般取3左右； y岩层的平均容重，MPa；H巷道的埋藏深度，m；只对煤帮的支护阻力，如上区段采空区侧支护已经拆除，可取。将试验巷道的参数带入公式(2)进行计算，得出：，考虑到一定得富裕系数，初步确定窄煤柱的合理宽度为5.0m。5 煤柱合理宽度
14、的数值模拟根据试验巷道的生产地质条件，利用数值模拟软件UDEC310建立模型研究沿空掘巷窄煤柱的合理宽度。模拟过程分别取窄煤柱宽度为3m、4m、5m、6m、8m、10m、15m七个方案，对沿空掘道在掘进及回采期间的顶板下沉、底板鼓起、实体煤帮、窄煤柱帮的变形量进行研究。5.1 沿空掘巷在掘进期间围岩变形特征掘进期间沿空掘巷围岩变形情况如图5-1所示，由此可以看出其变化特征：图5-1 掘进期间沿空掘巷围岩变形情况1)尽管窄煤柱宽度不同，但是沿空掘巷两帮的相对移近量均大于顶底板的相对移近量，说明在巷道掘进期间，围岩变形以两帮移近为主。2)当窄煤柱宽度小于5m时，沿空掘巷的顶底板相对移近量以顶板下沉量为主，底板鼓起量相对较小。当窄煤柱宽度大于5m时，随着窄煤柱宽度的增加，顶板下沉量不断增大，底板鼓起量先增大后减小。当窄煤柱宽度等于5m时，顶板下沉量和底板鼓起量均达到最小。3)在沿空掘巷两帮移近量中，窄煤柱帮的移近量和实体煤帮的移近量随着窄煤柱宽度的不同稍有变化，但其变化幅度不大。窄煤柱帮的变化趋势是随着窄煤柱宽度的增加，移近量先增大后减小，但当煤柱宽度大于5m时，移近量又开始增加，宽度为5m时移近量最小；实体煤帮的变化趋势是随着窄煤柱宽度的增加，移近量不断减小，但当窄煤柱宽度大于5m时，移近量又开始有一定的
