1、专题部分沿空留巷围岩稳定机理与支护技术研究摘要：本文主要对目前沿空留巷的研究成果和技术进行了一些介绍和总结，分析说明了沿空留巷的围岩变形特征及构成；沿空留巷的阶段性矿压特征，上覆围岩活动分期规律，沿空留巷巷道布置方式及其保护形式。总结了沿空留巷的破坏形式以及支护的关键，指出巷旁支护可有效改变围岩后期粘性位移它和围岩强度是保证果空区侧顶板空间结构平衡和巷道稳定的关键，分析沿空留巷顶板破断垮落特征,建立了巷旁充填沿空留巷的力学模型,提出了巷旁支护体主要参数的确定方法。并介绍了一些沿空留巷技术的工程应用。关键词：沿空留巷；围岩强度；巷旁支护；巷内支护； 1引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占7
2、5%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。根据第三次全国煤田预测资料，除台湾省外，我国垂深2000m以浅的煤炭资源总量为55697.49亿t，其中煤炭探明保有资源量为10176.45亿t。截至2006年末，我国煤炭剩余经济可采储量为1186亿t，占世界煤田总可采储量的12.6%，仅次于美国和俄罗斯，排名第三。目前我国的煤炭开采业已经达到了空前的高度，2009年的产量就已经超过了30亿吨。
3、并以每年增加2-3亿吨的速度增长。据有关机构预测到2050年，我国煤煤炭消费在能源消费的比重仍会占50%。煤炭开采排放矸石形成的环境问题主要有：矸石山压占土地，我国矸石排放量约为原煤总产量的1520，累计储存量已超过30亿t，占地55km，而且以年排放量1.2亿t的速度增长；矸石山自燃对大气污染，我国自燃的矸石山有300多座，产生大量的烟尘及SO，HS，CO等有毒气体，污染大气环境；矸石中的金属离子及有机物对水资源及土壤的污染等解决矸石排放问题的技术途径有：开采过程中减少排矸量、矸石不出井及地面综合利用等沿空留巷既可以少掘一条回采巷道，降低掘进率、减少掘进排矸量，又可以将矸石为集料制作膏体材料
4、进行巷旁充填及采空区充填膏体材料中85%以上是矸石，在井下制作膏体材料、直接消耗大量矸石，实现矸石不出井，膏体材料充填等沿空留巷技术是煤矿绿色开采的一个重要组成部分随着资源开采的速度加快，我国剩余可采的煤炭资源也在逐渐减少。煤炭开采必须要向高产高效，绿色开采的方向发展。沿空留巷作为一种煤矿无煤柱开采技术，具有明显的优势：实现无煤柱开采，提高煤炭资源回收率；少掘巷道，降低矿井掘进率；回采工作面实现Y型通风系统，有利于解决瓦斯问题；消除煤柱护巷时煤柱下方应力集中对下部煤层开采与巷道支护的不利影响，使巷道长期处于应力降低区。发展沿空留巷技术，具有很高的经济安全效益。此外，在煤矿井巷中, 回采巷道的长
5、度约占巷道总长度的 60 % 以上, 因此, 采用无煤柱护巷的方法是维护回采巷道的必然趋势, 沿空留巷是无煤柱护巷中一项先进技术, 具有一系列的技术经济优势, 因此凡是有条件的矿井应将沿空留巷作为首选方案。1.1沿空留巷技术研究现状1.1.1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、增加生产的连续性和提高矿井的经济效益目的，而采用往复式“Z”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。前苏联在应用沿空留巷技术
6、方面做了大量的研究工作，在理论上，提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和实验测量。德国无煤柱开采多为沿空留巷，其传统的巷旁支护多采用木垛、矸石带等，60年代末德国成功了采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、矸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，从而实现较大断面巷道二次利用，且不需修理，取得了良好经济效益。而且，德国在埋深8001000m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，巷旁支护多采用矸石
7、带，并研制出了矸石带机械化砌筑装置。同时，在提高矸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矸石带。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，高水材料充填已占全英巷旁充填的90%左右。波兰无煤柱开采应用较多的是沿空留巷，在前进式或后退式采煤时都用单巷准备，沿空根据走向开采或倾斜开采地质条件，沿空留巷一般巷内支护采用金属可缩性支架，巷旁支护使用充填带、矸石带或混凝土墩柱等。1.1.2国内沿空留巷技术研究发展历史沿空留巷是煤矿无煤柱开采基本技术之一。自70年代后期在我国较广泛试用以来，获得较大发展。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，大致可分为以下四个
8、阶段。(1)20世纪50年代起，在煤厚1.5m以下的煤层中尝试着用矸石墙作巷旁支护，巷内主要采用木棚支护，其存在着矸石的沉缩量大、巷内支架变形严重、维护工作量大、工人垒砌矸石，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。(2)20世纪60年代至70年代，在1.52.5m厚的煤层中应用密集支柱、木垛、矸石带、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。(3)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，在引进、吸收国外的沿空留巷技术的基础上，发展了巷旁充填护巷技术，巷内多采用u型钢可缩性金属支
9、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。(4)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，巷内采用锚梁网索联合支护并取得初步成功。我国也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1,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。1.1.3沿空留巷技术研究趋势我国煤矿开采深度逐年增加，瓦斯涌出量
10、也越来越大，特别是在深部高瓦斯、低透气性煤与瓦斯突出煤层中开采时，大量瓦斯涌出和积聚已成为矿井安全生产和提高开采效率的极大障碍，而采用沿空留巷技术实现Y型通风是解决这一难题的有效途径，并可实现工作面往复式开采，消除孤岛工作面，提高煤炭资源回收率。沿空留巷涉及的主要研究内容包括：沿空留巷围岩活动规律，围岩与支护相互作用关系，巷内支护、加强支护及巷旁支护等。围绕这些内容，多年来国内外的学者已经进行了大量研究工作3,4。我国已基本掌握了简单条件下薄及中厚煤层沿空留巷矿压显现规律，甚至在综采放顶煤工作面也得到应用。目前沿空留巷研究主要集中在以下几点：(1)沿空留巷围岩活动规律及支护围岩作用关系研究。孙
11、恒虎和赵炳利将沿空留巷顶板简化成层间结合力忽略不计的矩形“叠加层板”结构，根据弹塑性力学的有关理论提出了顶板载荷的条带分割法；李化敏根据沿空留巷顶板运动特点，分为前期活动、过渡期活动和后期活动3个阶段，并给出了相应的支护阻力计算公式。漆泰岳等也从不同的角度建立了顶板运动的力学模型。针对厚煤层综采放顶煤工作面沿空留巷，也进行了研究与试验。张东升等采用相似材料模拟和数值模拟方法对沿空留巷老顶破断位置与形状、不同支护方式对顶板活动的影响以及巷旁充填技术参数的确定进行了分析；谢文兵对围岩位移特点、煤帮与充填体应力演化特征进行了研究。黄艳利等根据井下矿压监测数据，对沿空留巷围岩与充填体的分阶段变形特征进
12、行了分析。(2)巷旁支护技术。巷旁支护是沿空留巷的关键技术，经历了木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等人工构筑的传统低强度支护方式，发展到目前的高水材料和膏体材料机械充填高强度支护方式。随着高强度锚杆与锚索支护技术的快速发展，华心祝等又研究与试验了巷旁采用锚索加强支护，配合密集支柱的沿空留巷巷旁联合支护方式，取得较好效果。(3)巷内支护技术。巷内支护包括基本支护与加强支护。基本支护形式主要有工字钢支架、U型钢可缩性支架、锚杆与锚索支护及联合支护等。目前，锚杆与锚索支护在沿空留巷巷内支护中得到广泛应用。1.2沿空留巷围岩稳定机理研究现状国外沿空留巷研究已有较长的历史,较有影响的理论是英国南威尔斯
13、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。孙恒虎教授等2根据煤层顶板特征和弹塑性力学的有关理论,将长壁工作面沿空留巷的煤层顶板简化成了层间结合力忽略不计的矩形“叠加层板”,认为沿空留巷支护载荷只与短支承边界的载荷有关。郭育光教授等研究3认为,巷旁支护应具有早期强度高、增阻速度快的特点,紧随工作面构筑,及时支护直接顶,避免与上部基本顶离层,并切断直接顶,减小巷旁支护载荷,控制巷道变形。随着工作面推进,巷旁支护阻力应达到切顶阻力,当基本
14、顶弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时,切断基本顶。垮落的矸石由于破碎后体积增大,当充满采空区时,更上位岩层在煤体和矸石的支撑下,取得运动平衡,巷道围岩变形趋向缓和。采高决定巷旁支护的切顶高度。巷旁支护阻力大小应根据块体不同时期的平衡条件推导出不同时期的巷旁支护阻力的计算式。李化敏教授4分析了沿空留巷顶板岩层运动的过程及其变形特征,明确了顶板岩层运动各阶段巷旁充填体的作用,根据充填体与顶板相互作用原理,确定了各阶段沿空留巷巷旁充填体支护阻力的控制设计原则,并建立了相应的支护阻力及合理压缩量数学模型。漆泰岳教授等5通过现场实测和理论分析,对不同围岩条件下基本顶断裂引起的整体浇注护巷带的支护强度和变形
15、能力进行了深入研究,提出了使沿空留巷巷道保持稳定的整体浇注护巷带支护强度与变形的理论计算方法,进而对沿空留巷整体浇注护巷带的适应性进行了研究。谢文兵博士等6在工程实践基础上,采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC建立相应的数值分析模型,详细分析了综放沿空留巷围岩移动规律,系统分析了基本顶断裂位置、端头不放顶煤长度、原有巷道支护技术、充填体宽度、充填方式和充填体强度对综放沿空留巷围岩稳定性影响规律,得出了许多有益的结论。研究结果表明,在保证顶煤及顶板稳定前提下,合理利用围岩移动规律,确定合理充填方式和充填体强度,既能保证充填体稳定,又能达到很好的留巷效果。朱川曲教授等7根据综放沿空留巷
16、围岩变形大且围岩力学参数中有许多随机变量的特征,阐述了其支护结构可靠性分析的必要性。应用工程结构可靠性理论,建立了综放沿空留巷支护结构可靠性分析模型,得到了支护结构可靠度的计算公式。研究认为,通过合理选择锚杆类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施,可达到提高综放沿空留巷支护结构可靠性的目的。华心祝教授从如何提高顶板岩层的自我承载能力入手, 提出了一种主动的巷旁加强支护方式巷旁锚索加强支护, 建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型, 并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理。利用理论分析所得结论, 进行了工程实践, 其研究成果为较大采高工作面沿空留巷技术提供了理论依据和借鉴经验。1.3沿空留巷支护技术应用现状巷内支护主要形式目前我国沿空留巷巷内主要支护形式有以下几种:（1）工字钢梯形刚性金属支架;（2）工字钢梯形可缩
