1、专题部分沿空巷道的支护与管理技术摘 要:随着国民经济的发展，对煤炭的需求逐年增加，为了提高煤炭的资源回收率，就是要降低巷道煤柱的煤炭损失，在此，对于沿空巷道的支护与管理技术的研究就显得尤为重要。关键词 沿空巷道；综放；支护与管理一、沿空留巷技术的发展概况沿空留巷具有煤炭回收率高、巷道掘进率低、采掘衔接合理、技术经济效益显著等优点，并且有利于安全生产和巷道布置改革,从而为前进式、往复式开采及Y型通风方式的应用创造条件。我国沿空留巷发展始于50年代,主要巷旁手段采用矸石垛:木密集支柱等,仅限于在薄煤层中应用。到了70年代，巷旁支护开始采用混凝土砌块和密集金属支柱,并成功应用于中厚煤层。利用高水充填
2、材料（水灰比大于或等于1.851，净浆时水体积在85%以上）在巷旁实现机械化构筑护巷充填带的技术,代表了目前沿空留巷技术的世界水平。国外高水巷旁充填技术是70年代末首先在英国发展起来的,迄今仍居领先地位。80年代初,煤炭工业部为了改变我国在沿空留巷技术方面的落后局面,推动我国煤炭工业的发展,先后从英国、德国引进了充填材料和充填设备,并在阳泉、开滦、平顶山等矿区进行了工业性试验,取得了较好的效果,同时又组织科研单位:高等院校及生产单位一起对充填材料和充填设备进行攻关,经过十多年的研究,到九十年代初,充填材料和充填设备已实现了国产化。到目前为止，对薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已日趋完善，巷
3、旁支护、巷内支护、加强支护及煤帮加固技术已经成熟,尤其是巷旁支护应用高水速凝材料进行整体浇注充填克服了以往巷旁支护（如矸石带、混凝土砌块等）增阻速度慢、初撑力低等缺点，高水速凝材料的早强和速凝特性,使得充填体在工作面后方10m以内就可以达到其支护阻力的60%以上，即支护强度为4MPa左右，该值是巷内支护强度的40倍以上。总之，随着泵送巷旁充填技术的提高与进一步推广应用，促进了我国沿空留巷技术的发展，必将带来巨大的社会、经济效益，并推动我国采煤工艺和巷道布置方式发生重大变革。二、沿空留巷的概念及技术1 沿空留巷概念。沿空留巷技术是工作面运输巷在回采过程中直接采用特殊支护，保留原巷道不冒落，做为下
4、一个采面回风及运料巷的一种施工方法。沿空留巷时区段平巷的布置主要有三种：前进式沿空留巷、后退式沿空留巷及往复式沿空留巷。2 沿空留巷技术。根据矿压显现规律，工作面回采后由于顶板上覆岩层移动， 围岩应力重新分布，如图1-1：由于留巷位置在煤体和采空区的边缘区，因此处于应力卸压带，压力最小部分，巷道所受压力较小，因此采用足够的支护强度是能够留巷的。三、沿空留巷的矿压显现规律（一）沿空巷道围岩稳定性分析影响巷道围岩稳定性的因素很多，归纳起来可分为地质因素和工程因素两方面。地质因素方面主要包括岩体的完整性、各类结构面、地下水的活动情况和岩石强度等。工程因素方面主要有：巷道断面形状和大小、支护结构的型式
5、和刚度、巷道的埋深，施工中的技术措施等等。在工程实践中，巷道围岩稳定性控制主要应从围岩应力、力学性质和巷道支护等方面着手。根据有关研究，随着工作面回采完成，采空区上覆岩层逐渐垮落形成稳定的砌体梁结构(参见图2-1-2)，采空区处于新的应力平衡状态。在砌体梁结构中，坚硬岩层作为承载的主体，其关键块是否稳定将直接影响到整个砌体梁结构的稳定状况。值得注意的是：砌体梁结构不是单纯的岩块堆砌，而是一个有机的运动着的围岩整体，包括坚硬岩层的变形、破断和失稳、也包括块与块、块与垫层、块与连续岩层的接触与铰合，还包括裂隙、离层、水和瓦斯流动等等。如果图1中的顶煤冒空严重，那么直接顶将产生很大的弯曲下沉量，使得
6、关键块与垫层之间出现离层现象。从而，关键块失去了垫层对其的支撑作用，会重新发生滑移和转动，这种情况持续恶化将导致砌体梁失稳破坏，上覆岩层直接作用在直接顶及顶煤上，巷道维护将变得异常困难，最终危及煤矿的安全生产。（二）沿空留巷的矿压显现规律在沿空留巷技术施行过程中极为重要，沿空留巷是无煤柱工艺的一种类型，是将已采工作面后方的运输槽或回风顺槽用一定方法沿采空区保留下来，作为下一工作面的顺槽，它在工作面后方沿采空区边界维护巷道，由于要经受两次采动的影响，其矿压显现和巷道维护都比较复杂，为了更好地解决巷旁支护问题，就其矿压呈现出的一些规律作一剖析。1 在回采工作面后方附近，已采区冒落岩石在上覆岩层作用
7、下向巷道挤压，一般情况下，沿空留巷的顶板下沉在工作面后方l020m处最为强烈，顶板下沉主要发生在工作面后方O40m范围内，6070m顶板下沉趋向稳定。2 直接顶板冒落后，能填满采区，使老顶能处于平衡状态，采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚呈现正比关系，一般少则为采厚的l0，多则为l5 20。煤层采厚愈小，愈有利于沿空留巷的维护。3 沿空留巷靠采空区一侧的顶板下沉量比靠煤帮处要大1倍左右，直接顶板明显地向采空区方向倾斜，倾斜度与上方裂隙带岩层相近似，一般为左右。4 煤帮的应力和稳定性对沿空留巷的顶板也产生明显影响。若巷道的煤帮遭到严重破坏，裂隙带岩层的沉降就会向煤体纵深发展，巷道的顶板下沉量
8、和煤帮位移量都将明显增长。5 凡直接顶板冒落后能使老顶获得支承和平衡的顶板岩层，基本支架的阻力可按能支承直接顶板的岩层重量考虑，即相当于4倍采厚的岩层重量，支架的可缩量应能与裂隙带岩层沉降量相适应。6 如煤层上部覆盖自身不能平衡的坚硬岩层，则需设置强力的切顶支架，甚至需人工挑顶，为老顶平衡创造条件。否则，沿空留巷的顶板下沉量可能显著增加，甚至沿煤帮切顶。7 支架的工作状态主要取决于支架的结构和顶底板岩层的性质。沿空留巷对支架工作状态的要求是：巷道受采动影响后，支架能迅速增阻，然后保持恒阻。8 在上区段工作面后方附近的沿空留巷维护比较困难，随着采空区顶板岩层运动趋向稳定，巷道的围岩变形速度迅速衰
9、减并趋稳定，直到受下区段工作面采动影响期间，巷道维护不太困难。9 在总结上述的基础上，根据对沿空留巷矿压问题的现场实测及立体模拟研究结果，又提出了沿空留巷矿压显现的其他有关规律，在此作以简要说明和初步分析。（1）煤巷顶板的主动垮落与被动垮落规律及特征主动垮落。岩层在自重(或自重和层面内应力)作用下的垮落称为主动垮落。其特征是岩层垮落前首先与上覆岩层明显离层。垮落过程中不受上覆岩层力的作用。垮落前的发展过程比较缓慢，垮落首先是从某一始发区域突破，然后迅速发展，最后沿残留边界旋转式垮落。实验证明，为了取得良好的沿空留巷护巷效果，尽早架设巷旁支护及时控制围岩活动是十分重要的。被动垮落。岩层在上位岩层
10、下沉的迫使下的垮落称为被动垮落，这种垮落形式往往是两种垮落形式的组合，其下位岩层属被动垮落，上位岩层是主动垮落。其特征是垮落发展速度快，每次垮落都是一个岩层组，其厚度较大。被动垮落比主动垮落难控制的多。主动垮落与被动垮落的空间关系为垮落循环。（2）围岩活动的分期规律垮落是自下而上发展的，最下位岩层首先垮落，其他岩层后继垮落，顶板岩层自下而上的垮落过程称之为前期破坏活动。通过改变边界支护方案能够改变下位岩层的垮落边界位置，进而改变整个垮落线位置，这种特点是研究沿空留巷支护对围岩前期作用的重要依据。随着垮落层的不断提高，破断、垮断相继出现，前期垮落已稳定的岩层上方平衡的未垮岩层还会失去平衡，产生下
11、沉这称之为后期活动。后期活动会加剧沿空留巷顶板的平移下沉以及巷道煤帮的挤出，使巷道煤帮内的支承压力范围加大。如果顶板岩层比较稳定时，去掉巷道支护不影响巷道的稳定性。（3）沿空留巷支护载荷规律顶板前期垮落过程中，支护所起的主要作用是切顶，提高支护切顶作用效果是及早支护，提高支护初撑力，支护增阻速度以及前期支护刚度，坚持以“顶”为主，“顶、让兼顾”的原则。设计支护最大载荷以前期为主。后期支护要保证下位岩层不垮落，防止煤帮挤出或片帮造成巷道状况恶化；加固煤帮以提高煤帮承载能力，减少后期下沉量，加固底板，减少底鼓量。同时，要求巷道支护有足够的双向可缩性以适应顶板整体下沉引起的“定变形”，达到维持顶板下
12、位岩层不冒落，并与上位岩层不离层，并坚持以“让”为主，“让、顶兼顾”的原则。设计支护最大变形以后期为主。综放沿空留巷技术可分为大断面留巷和小断面留巷两大类/综放沿空大断面留巷是利用巷旁或巷内充填技术,随工作面推进的同时,留下一条断面一般要超过以上的巷道,可作为通风和运输通道/综放沿空小断面留巷是利用锚网支护和覆岩关键块共同形成的“免压区”，适当加以维护,随工作面推进的同时,留下一条断面一般仅为（23）的尾巷,可作为尾巷通风和排水通道。10 综采放顶煤工作面沿空掘巷的围岩应力分析及沿空掘巷位置的确定（1）沿空巷道在掘进期间内，两帮移近量和顶底板移近量同在弹性区，施工管理、技术手段差别不大。工作面
13、回采期间，巷道变形主要以两帮的移近为主，大约是顶、底板移近量的23倍，在顶、底板移近量中，底鼓量大于顶板下沉量，巷道顶板比较完整，下沉均匀，在两帮移近量中，实体煤帮移近量较煤柱侧的移近量要大些，巷道实体侧下部的移近量大于上部的移近量，表现为向巷道内滑落的趋势。在靠近工作面的端头段，老顶岩层的破裂结构发生失稳垮落，直接顶和煤体上的载荷增大，导致巷道变形严重。工作面回采期间，沿空巷道超前影响距离约为6080 m，工作面前方20 m范围内底鼓较大，需要清底，并加强超前支护。（2）综采放顶煤工作面上覆老顶的岩层，在工作面推进后，于采空侧断裂回转下沉，形成侧向稳定结构，对下部煤体中的沿空巷道起到一定保护
14、作用，如将沿空巷道位置选定在该结构下，可以保持较好的稳定性。综采放顶煤工作面采空侧的直接顶和煤体变形较复杂，煤体具有向采空区滑落的趋势，应采用锚索等高强度支护加固巷道浅部围岩，以保持沿空巷道围岩小结构的整体稳定。综采放顶煤沿空掘巷的围岩，在回采期间变形较大，这就要求巷道支护形式应能适应大的围岩变形，实现可伸缩移动。锚网加锚索或者工字钢加锚网等支护，在留小煤柱沿空掘巷中，可以有效的控制巷道围岩变形，并提供足够的支护强度，达到提高综采放顶煤工作面的安全性和采区回采率的目的。综放采场中，沿空工作面巷道在回采期间，其上覆岩层的活动规律是不可控制的。在现有技术条件下，实质性地控制巷道变形是不可能的。因此
15、，沿空巷道矿压控制应在合理选择煤柱尺寸、优化支护设计，加强施工支护质量等方面进行系统优化，同时辅以加快工作面推进速度和加强工作面巷道超前支护等，其围岩变形量控制是可以满足生产需要的。综放沿空巷道变形控制的难点在于巷道两帮变形的控制。由于巷道遭受回采工作面剧烈采动影响期间，巷道顶底板可以采用超前加强支护或采取适当卧底的方法来保证巷道达到一定的高度，而巷道两帮则很难采用超前加强支护的方法来控制变形。因此，必须开展加强沿空巷道两帮变形控制方面的科研攻关，以确保综放工作面高产高效作用的发挥。四、大采高开采沿空留巷技术大采高开采沿空留巷技术的发展必将促进我国厚、较厚煤层开采技术的发展，但目前的研究较少，
16、指出该项技术存在的几个问题，对巷旁锚索加强支护的作用机理进行了分析，并给出了一个应用实例。高产高效是采煤工业的发展方向和建设现代化矿井的根本途径。由于综放、综采大采高工作面具有产量高、效率高、安全等优点，所以在我国发展比较快。但是随着大采高技术的发展、采高的增大等困难条件的出现，工作面上、下两巷的支护技术成为制约大采高开采技术发展的关键问题之一。目前，我国绝大多数矿井采用留设宽煤柱维护大采高工作面上下两巷的稳定，不但煤炭损失大，而且巷道维护效果也不太理想，严重制约了大采高技术的进一步发展。结合大采高开采特点，进行大量的试验和理论研究，实现区段无煤柱开采，对提高煤炭回收率，降低掘进率，缓解采掘接替的紧张状况具有重要意义，同时对大采高技术的发展也有着积极的推动作用。我国厚煤层分布较广，据统计，我国厚煤层开采煤量占总产量的40一50，厚煤层的开采
