1、专题部分厚煤层综放面沿空留巷技术研究摘要:煤炭开采中既要寻求经济合理的开采方式，以便获得最大的经济效益，也要使环境得到有效保护。本文结合前人经验对厚煤层综放面的沿空留巷技术进行一些简单的分析。对其技术现状，支护形式，矿压特征等技术分析及各方式的优缺点结合具体例子做一些简单比较。关键词：综放工作面；厚煤层；沿空留巷1 研究背景沿空留巷（gob-side entryretaining）技术是指采煤工作面后沿采空区边缘维护原回采巷道。为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱。采用一定的技术手段将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用。这种留巷的做法是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷。沿空留
2、巷可以最大限度回收资源。避免煤体损失。上世纪60年代英国、德国开始采用。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。分别采用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。基本普及无煤柱开采。国外主要以无机有机混合结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。我国上世纪70年代引进使用，那时候因为经济基础等因素影响，所采用的方法都没有广泛适应性。后期出现的“高水材料”成本过高、强度和耐久性不足、特别是没有掌握矿山压力规律，从根本上扭转巷道维护困难的局面而没有得到推广。上世纪60年代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、增加生产的连续性和提高矿井的经济效益目的，而采用往复式“Z”
3、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。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前苏联、德国、英国、波兰等国家。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。我国从薄煤层到厚煤层，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，都已有沿空留巷的成功经验。但是，在沿空留巷研究与应用中仍存在着不足之处，使得一些矿井在应用沿空留巷技术中没有取得预期的效果，并限制了沿空留巷技术在我国更广泛的推广。我国煤炭资源虽然丰富，但是消耗量大。据统计表明，在我国一次能源生产和消费中、煤炭资源占75 。在未来的2050年中，我国一次能源生产和消费以煤为主的格局不会
4、改变 。因此，必须进一步发展煤炭资源的开发。综采放顶煤开采技术是我国厚煤层开采方法的一次革命，是厚煤层实现高产、高效、低耗和安全生产的有效途径。对于高瓦斯厚煤层工作面采用综采放顶煤技术开采时，除保证回采巷道服务期间围岩稳定外，还应考虑合理的巷道布局以改善工作面的通风环境，实现工作面安全高效生产。经过几十年的发展，我国一些矿区在沿空留巷方面取得了可喜成绩。一些矿井取得了非常客观的经济效益。本文单对厚煤层综放面沿空留巷技术进行一些简单的论述。2 技术分析沿空留巷的优点：1）矿井采掘规划与矿井采区开拓布局的革命。2）倾向钻孔替代高、低抽巷，经济效益显著。3）真正实现无煤柱开采，提高回采率，实现连续开
5、采。4）实现无煤柱开采，无应力集中区,被保护层得以彻底保护.5）从根本上隅角瓦斯超限问题。6）沿空留巷位于采动卸压区，支护容易，便于维护。在其基础上建立的Y型通风方式，将带来更大的社会经济效益。沿空留巷的技术简图如图1所示： 图 1 工作面留巷布置图如图2所示： 图 2机巷充填断面示意图如图3所示：。 图 3风巷充填断面示意图见图4： 图 4充填支护宽度不同时垂直应力的图如下图所示 充填支护宽度为1.5m时的垂直应力图充填支护宽度为2.0m时的垂直应力图充填支护宽度为2.5m时的垂直应力图混凝土的应力应变图沿空留巷一般适用于薄煤层，但随着沿空留巷技术的应用面不断扩展。综采工作面的沿空留巷、高档
6、普采工作面的沿空留巷、高瓦斯矿井的沿空留巷，厚煤层急倾斜煤层的沿空留巷等，都有了成功的应用经验，并为应用企业带来了明显的经济效益。沿空留巷支护技术于研究方面，发展迅速。沿空留巷从空间上是巷道处于开采后盈利重新分布区，但从时间上无法避免采动支撑应力重新分布过程中的剧烈作用，巷道需要经受两次才懂影响，矿压显现强烈，巷道维护难度大。因此，沿空留巷技术的关键所在就是巷道充填体能否适应沿空巷道顶板的运动规律，有效地控制顶板岩层。中厚煤层沿空留巷与薄煤层沿空留巷有较大的差别，工作面煤层才高较大，采空区侧向支撑压力作用大，下区段媒体边缘形成的破碎去和塑性区的宽度均大于薄煤层，所以巷道充填沿空留巷一般处于塑性
7、区和破碎区煤体中，巷道上方就在弧形三角块在超前支撑压力作用下回转下沉量要比薄煤层大。而且厚煤层沿空留巷会因为开采厚度的原因而很容易地引起上覆岩层顶板大范围的剧烈活动，这样将会导致它对沿空留巷产生重大的影响。再加上充填体上方是破碎松软的顶煤而不是较为坚硬的直接顶，又会使得沿空留巷巷道围岩稳定性在控制方面的难度系数增大。综上所述，厚煤层沿空留巷与薄煤层沿空留巷相比较的话，围岩的力学性质条件更差，维护也更加困难。所以以前的沿空留巷技术在厚煤层中应用很少，但是随着沿空留巷技术的成熟以及沿空留巷越来越受到人们的重视，为了更加充分的利用资源，减少浪费，近年来我们在厚煤层沿空留巷的技术方面也取得了极大的进步
8、，但是在巷道旁充填沿空留巷的稳定性原理及其控制技术还不成熟，具有普遍的广泛的适用于大部分例子的规律还有待进一步的探索。比如关于留巷上方“弧形三角块”稳定状况的研究、充填结构稳定性的控制技术和锚杆支护巷道锚固体与外部围岩相互作用的关系有待于进一步的研究和探索。这些都制约了沿空留巷技术在厚煤层方面的发展。目前对巷道充填沿空留巷应力场和变形的破坏特征的研究，在理论上，前人已经做出了大量的研究并且取得了非常大的成果和很大的进展，但是由于菜场岩层的条件依然非常复杂，巷道充填沿空留巷应力场和破坏变形的力学及物理特征还有很多实际问题需要进一步的进行更加全面深入的研究，总结和完善。3 沿空留巷上覆岩层活动的规
9、律研究国内外对采场上覆岩层破碎特征和活动规律开展了大量的研究，提出了采场上覆岩层的关键层理论、基本顶及关键层的破碎规律。随着综采技术的发展，人们对综采菜场上覆岩层活动规律进行了更深一步的研究，明确指出了采场上方存在特殊的基本定结构，兵认为采场冒落带的高度为才高的2到2.5倍，其中1到1.2倍采高的直接顶岩层呈现不规则垮落，上面为规则的垮落带。以上研究对综采厚煤层验工作面推进方向的上覆岩层活动规律有了明确的认识。工作面顺槽匡亚观测分析和想死模拟试验研究认为：随着工作面的推进，采空区被一侧煤块和上覆岩层一次垮落，想成砌体量结构：测向媒体支撑压力峰值点与采访比有关，而且随着采访比的增大峰值点远离，有
10、利于充填或者六社窄煤柱；分析了巷道上覆岩层结构特征，提出充填体宽度d与侧向支撑压力放置点深入煤岩体的距离x有关。将基本定沿倾斜放心形成的结构作为沿空留巷围岩的大结构，基本定在工作面端头形成的弧形三角区是做巷道上方的关键快，定性分析了关键快在收才懂影响不同阶段的稳定性，认为关键快不同阶段是稳定的，为沿空留巷创造了良好的外部力学幻境。针对沿空留巷围岩力学幻境的维护特点，对巷道上覆岩层稳定状况，验工作面倾斜方向上覆岩层的活动规律的研究很少。采空区侧向支撑压力分布表明：一般在采空区测向媒体0-12m范围内垂直应力变化较大，从0到2.5倍左右原岩应力，沿空留巷在该范围内留设，巷道围岩应力状况相差较大，上
11、去段工作面超前支撑压力作用，引起巷道围岩应力状态改变。根据岩石降压破碎过程的能量分析，在最大注盈利减少过程中，掩体内变形能小于其储存能量的能力，掩体不发生破坏；当最大主应力超过演示单轴抗压强度，在最小主应力降低过程中，由于岩体内的变形能超过其储存能量的能力，会是岩体破坏。所以，沿空留巷两帮相对位移量显著大于顶底板相对移近量，国内外从应力状态改变来研究沿空留巷围岩变形过滤的研究较少。基本定岩层的稳定状况和活动规律直接影响其下方沿空留巷围岩应力的状态，变性特征和稳定状况。而国内外对基本定沿倾斜方向的稳定性研究很少，该问题对沿空留巷稳定性极其重要，将基本定岩层的稳定性与沿空留巷稳定性统一考虑研究则更
12、少，使人们对上覆岩层活动规律与巷道稳定性的关系缺乏明确的认识。4 巷道充填沿空留巷技术研究现状在生产时间中，充填体对巷道稳定性的影响主要有两个方面：一个是充填体宽度影响巷道围堰应力；二是充填体强度影响巷道围岩完整性。具体可分为：沿空留巷围岩应力状态、沿空留巷的匡亚显现规律和充填结构稳定性原理。国内外在沿空留巷支护研究方面作了大量工作，取得了很多成果。沿空留巷围岩在基本顶岩层的作用下，产生了严重的变形和破坏，尤其是在厚煤层中，因为工作面的才高较大，基本弧形三角块旋转下沉量较大，巷道变形、破坏严重，威严巷道强度降低更多，尤其受到工作面才懂影响之后，基本定岩层活动更加强烈，沿空留巷维护更加困难。护航
13、充填体结构是沿空留巷威严结构的重要组成部分，充填体结构的稳定性直接关系到沿空留巷的稳定，同事充填体结构的宽度也决定巷道围岩应力的大小与围岩完整性，如何确定合理的充填体结构体宽度，保持其稳定，使充填体成为沿空留巷围岩结构的一部分，同事可以使得围岩应力变小，保持其完整性和巷道稳定，提高采出率。采空区边缘应力降低也是因为煤岩体强度降低形成承载能力减少而造成的。因此确定合理的充填体宽度、判断巷道围岩稳定性，应考虑较大才高引起基本顶弧形三角块旋转下沉量增大导致采空区边缘煤岩体强度减小的影响，这有待于对采煤工作面倾斜方向矿山夜里显现规律及沿空留巷围岩变形、破坏规律做进一步的研究。5 巷旁充填原理及技术研究
14、矿山压力的影响是客观的，完全消除压力显然是不可能得。根据围岩与支护共同作用的原理，只能通过支护的形式来抵御和释放压力，通过巷旁充填材料来减缓巷道其他部位的压力，控制巷道整体变形，使其满足生产的需要。 巷旁充填体支护设计上去段工作面开挖初期阶段，基本顶一旋转下沉为主，来呀强度较小，充体的作用力主要是用来平衡巷道上方直接顶和它悬浮部分岩层的重量。为了保持巷道顶板的完整性和增加直接顶的稳定性，要求充填体和支架的共同作用来保持直接顶和基本顶的距离不要过大。 上去段工作面正常开挖阶段，基本顶破断失稳，旋转下陈剧烈。由于干事和基本顶之间的间隙可以用充填采空区来减少，这样基本顶可以变得更加稳定，充填体需要有
15、足够的弹性来适应基本顶的回转，通过合适的压缩来充分的发挥围岩的承载能力，这就是支架围岩共同作用的体现；同事充填体还应该有足够的支护强度来参与保持顶板运动的平衡，这样可以减少留巷顶板下沉量过大的问题。 图 5 围岩结构模型根据图5所示，可知支护所需的支护强度为： 充填体材料选择沿空留巷结构的关键是严控一侧巷旁支护的材料和性能的选择，充填材料要求增阻速度快并有合理的支护能力能够是顶板的高度合理，具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形，同事，选择的充填材料最好能够保持成本低廉。减少成本6 研究方法与技术路线 图 6 技术路线图 运用数值分析、岩石力学。弹性力学等并结合矿压与岩层控制经典理论以及最新研究采场上覆岩层破断特征和破坏规律，建立巷旁支护充填沿空留巷力学模型，在这个基础上分析基本顶不同断裂位置下的沿空留巷。还要注意的是对工作面弧形三角块的稳定性利用数学公式的推导来进行定量分析。数值模拟方法在不同的模拟的力学模型中
