1、沿空掘巷技术研究摘要：本文以现场观测为基础，略述无煤柱护巷方法之一沿空掘巷，分析沿空掘巷的基本依据，探索沿空掘巷护矿压显现规律及其特征，进而提出沿空掘巷的维护措施。关键词：沿空掘巷，窄煤柱，围岩应力分布，支护工艺0 引言在煤矿地下开采中，在相当长的时期内，为了防止采动支承压力的有害影响，采准巷道一直采用煤柱护巷的方法。这些护巷煤柱一般不能回收。回采空间侧向支承压力的影响范围是确定护巷煤柱尺寸的主要依据。从世界各国的矿压观测资料来看，回采引起的支承压力分布范围很广，其影响区域主要与开采深度和煤岩性质有关。当深度为100200米时，应留1020米的煤柱；当深度为500600米、围岩强度为400公斤
2、/厘米时，则应留3050米的煤柱，但在同样深度的条件下，倘若围岩强度只有200公斤/厘米时，那么取80100米宽的煤柱也不能确保巷道的良好状态;当深度为1000米、围岩强度为400公斤/厘米时，必须留大于90米的煤柱。矿压观测结果说明，随着开采深度的增加，护巷煤柱的尺寸变得越来越大。其结果，不仅使煤炭损失过大，千吨准备煤量的巷道掘进长度增加，而且残留的护巷煤柱在较大深度的煤层中，还会导致岩层压力增加，使煤和瓦斯突出以及冲击地压发生的危险性增大，煤柱下近距煤层的采掘工作条件恶化。上述情况极其尖锐地向采矿工作者提出：必须寻求和施行一种新的无煤柱护巷方法。经过众多国内外学者研究，最终提出无煤柱护巷方
3、法沿空掘巷。沿空掘巷就是沿已稳定的采空区边缘或与采空区之间留小煤柱布置巷道， 在该巷道掘进时，相邻采空区岩层活动相对已经停止，其回采期引起的应力重新分布也趋于稳定，此时，沿空掘进的巷道处于应力降低区，有利于巷道维护。1 沿空掘巷技术在我国的发展分为以下几个阶段20世纪50年代我国已有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术，可以说是沿空掘巷技术在我国发展的萌芽阶段。20世纪70年代沿空掘巷技术有所发展，并开始矿压研究，取得了可喜的成果，这个阶段是沿空掘巷技术的发展阶段。20世纪80年代初期提出了沿空掘巷巷道围岩变形特征，这个时期是沿空掘巷技术的完善阶段。20世纪90年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大
4、促进了沿空掘巷技术的发展，这就是沿空掘巷技术的成熟阶段了。我国煤矿巷道布置在20世纪70年代以前主要是学习借鉴前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤柱护巷系统。但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难；厚煤层分层开采或近距离煤层群联合开采时，区段煤柱的留设造成的应力集中，不利于下分层或下层煤的开采；厚煤层分层开采时，区段煤柱的留设易于引起煤层自然发火煤巷采用炮掘法施工，掘进速度慢，双巷布置时准备时间较长。因此，自20世纪70年代后期，我国开始试验推广跨上山沿空掘巷（或沿空留巷）技术。目前，在厚及特厚煤层分层开采中仍主要采用这种布置系统，包括充州矿区在内的许多采用综采放顶煤开采技术的矿区也主要
5、沿用了这种系统。与此同时，许多科研单位和学院研究单位也对这些问题进行了大量的实验室相似模拟和现场的观测，将理论和实践想结合起来，使得这些问题得到了进一步的发展。但是，在厚及特厚煤层一次采全高的综放开采系统中，煤柱护巷双巷掘进系统的原有缺点有的已不存在，有的己具备了解决的技术条件，而跨上山沿空掘巷系统岩巷多、邻面接续难等缺点在综放开采中却逐渐突出出来。实现无岩巷多煤巷布置的前提条件，是要有先进的煤巷支护技术，并能实现煤巷机械化的快速掘进。我国有很多矿都有这些技术，如兴隆庄煤矿煤巷新型高强锚杆支护己取得成功、煤巷综合掘进机械化施工速度己达100米/月以上，均己达到国际先进水平，完全具备了无岩巷多煤
6、巷布置的技术与施工要求自80年代初试验综合机械化放顶煤开采以来，我国技术水平已处于国际领先地位，初步解决了储量和产量占我国 的厚煤层开采问题。1998 年以来年产超200万吨的综采队中的约80% 采用放顶煤，历年超300万吨、400万吨的全国综采纪录也为综采队所创 由此可见，综放开采已经成为我国高产高效矿井建设的主要技术手段之一。 但是由于综放工艺的限制，目前综放采区采出率还比较底，据统计，在综放采区的煤炭损失中，工作面区段煤柱损失约占8.9% ，仅次于工作面顶煤损失而位居第二，因而实现综放开采区无煤柱开采和最大限度减少“ 两巷” 煤损量，对提高采区采出率具有重要意义。2 沿空掘巷的理论概述2
7、.1沿空掘巷巷道布置方式2.11紧贴采空区的沿空掘巷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。2.12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
8、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。2.13留临时大煤柱沿空掘巷在要求上、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
9、无须维护，几年内就减少煤炭损失达上百万t。2.14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。2.2沿空掘巷的优点(1) 巷道在煤体边缘的应力降低区内掘进，巷道压力小，有利于巷道维护。(2)煤体边缘经受过支承压力的破坏作用后，瓦斯得到自然释放，对有冲击地压和瓦斯突出的煤层可以大大减少其危险性，有利于保证巷道掘进的安全。(3)与留煤柱护巷相比，可提高煤炭的采出率。(4) 与沿空留巷相比，可缩短巷道的维护时间，减少维护费用。(5) 由于没有留设护巷煤柱，改善了下覆煤(岩)层的地应力状
10、态，即在下覆煤(岩)层中不再形成应力集中区，或应力集中区的范围较小，强度降低。2.3沿空掘巷的缺点(1)沿空掘巷与老采空区相通或留设很窄的煤柱，会造成巷道和采空区之间的漏风，不利于巷道通风。(2) 完全沿空掘巷和保留老巷部分断面的沿空掘巷，由于巷道一侧为采空区，上区段的老空区积水和碎研石易进人巷道内，严重影响巷道的施工和使用。(3) 由于沿空掘巷需在上区段回采完毕，等待采空区上覆岩层移动基本稳定后可开始掘进，不利于同一区域同时布置采掘平行作业。2.4沿空掘巷方式的选择综上所述，考虑到企业减少煤炭损失、提高煤炭采出率的要求，沿空掘巷主要分为完全沿空掘巷和留设小煤柱沿空掘巷。前者更易于维护，煤炭回
11、收率高，适于老空积水少、老顶矿石破碎、低瓦斯的矿井。有的矿地质条件复杂、断层纵横交错、上区段老空积水较多，故选用留设小煤柱沿空掘巷。煤柱留设主要防止老空积水有害气体及大块岩石窜入巷道内，在上述前提下，留设煤柱越小越好，特别是沿空掘巷需要做进尺巷时，留设小煤柱则更有必要。留设窄小煤柱沿空掘巷技术是提高煤炭回收率的有效途径之一。 3沿空掘巷围岩活动规律3.1沿空掘巷顶板破断规律上区段工作面回采结束后，采空区上覆岩层垮落，老顶在采空区边缘发生断裂，形成“O-X”破断工作面不断向前推进，老顶周期破断，在工作面端头破断，形成弧形三角块( 如图3-1所示) 直接顶岩层跨落后，老顶弯曲下沉向采空区倾斜，沿工
12、作面倾向，岩体A、岩块B、岩块C、组成铰接结构。岩块B对沿空巷道上覆岩层结构的稳定起重要作用，块体的回转变形对下方巷道围岩具有重要影响。图3-1 采区上覆岩层结构示意3.2沿空掘巷矿压显现规律3.21煤体斜方向支承压力分布规律分析倾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3-2) 。图3-2 支承压力一般分布形式图Lu煤体边缘低压区；ab强烈显现区;Lmax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化很大，L0=16m时，Lmax= 420m，而L= 1040m。研究表明，支承压力峰值距煤体边缘的距离( 即塑性区宽度) Lma
13、x与煤层坚固性系数、顶板单向抗压强度Rc、煤层采高M、煤层倾角、采深H等因素有关，可根据实测资料得到回归公式进行近似计算。采区煤层巷道沿倾斜方向的矿压显现规律：从煤体边缘向矿体深部可分为三个不同的矿压显现带，即煤体边缘卸载带、支承压力显现带和原岩应力带。(1)煤体边缘卸载带：在高应力作用下，矿体边缘会产生变形和破坏，使其承载能力降低，从而形成较原岩应力低的卸载带。(2)支承压力显现带：由于边缘煤体遭到破坏后已基本上失去承载能力，上覆岩重即向煤体深部转移，从而形成沿倾斜方向的支承压力影响带。(3)原岩应力带：随远离煤体边缘，支承压力影响逐渐减弱，至煤体内部一定距离处即转入原岩应力状态，称原岩应力
14、带。众所周知，地下岩体时应力不仅受士覆岩层的压力作用而产生，而且还要受各种地质作用和残余应力的强烈影响。工作面开采后，在工作面前方由于支承压力的作用，始终存在着一个高应力区。这个高应力区随着工作面的推进而向前移动，称为超前移动支承压力区。在邻近工作面两侧的煤体上也同样存在着支承压力。侧向支承压力在把两侧煤体的边缘部份压酥破坏后，又会向煤体的深处移动。随着工作面的远离和时间的推移，侧向支承压力会逐渐地稳定下来，较长时间地作用在两侧煤体上，形成一个高应力区，称为残余支承压力区。3.22沿空掘巷的围岩力学环境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：(1)巷道处于应
15、力降低区;(2)掘巷期内围岩应力集中程度小;(3)回采期间应力集中程度很大4 沿空掘巷窄煤柱设计概论4.1留窄煤柱沿空掘巷的理论依据由留窄煤柱沿空掘巷应力分布可知，煤、岩性质和窄煤柱宽度的不同，垂直应力的高峰值也不同，当窄煤柱确定不合理时，有可能使新掘的巷道处于原支撑压力高峰之下，原来的松驰区为窄煤柱宽度，而布置的掘进巷道则靠近极限平衡区，当巷道掘进以后，煤体强度急剧下降，窄煤柱进一步遭到破坏而卸载，引起煤柱向巷道方向强烈位移，巷道的另一侧煤柱，掘巷之前为承受高压的弹性区，掘巷之后，随着松弛区、塑性区的重新构成和支承压力向煤柱深部转移，与此同时伴随着顶板强烈下沉和底鼓。因此合理选择窄煤柱的宽度
16、是沿空掘巷的关键一环，若煤柱尺寸选择不当，就会造成适得其反的效果。4.2留窄煤柱沿空掘巷的技术关键(1)留窄煤柱沿空掘巷必须有一个合理的滞后时间，即只有在采空区岩层运动已经稳定的前提下，才能取得较好的效果。因为采空区岩层运动已经稳定是沿空掘巷的受力和维护状态比沿空留巷要优越的先决条件，若沿尚未稳定的采空区一侧掘进巷道，无论是否留煤柱，它们的维护状态都比已稳定的采空区一侧掘巷要困难的多，如滞后回采工作面较短，就不能保证沿空掘巷的成功。根据采空区的冒落应力分布情况及以往经验，工作面合理的滞后时间为3 5个月。(2)必须正确确定合理的窄煤柱宽度。选择合理的窄煤柱宽度是能否取得沿空掘巷成功的关键一环，从理论上讲，完全沿空掘巷最为有利，但在实际中，为了防止漏风和采空
