专题-浅析深井沿空留巷支护理论与技术.doc

1、专题部分浅析深井沿空留巷支护理论与技术摘要：深井沿空留巷是提高采出率、煤层群卸压开采，进而实施煤与瓦斯共采的关键技术。要经历两次工作面采动影响，加之深部巷道围岩变形具有高地压、大变形和长期蠕变的特点，巷道维护较浅部沿空留巷更加困难。本文以淮南顾桥煤矿深井沿空留巷为工程背景，运用FLAC3D数值模拟和现场实测相结合的手段对工程实践中经常遇到的厚直接顶、薄直接顶和无直接顶三种沿空留巷类型进行研究，提出相应的支护方案。关键词：深井； 沿空留巷； 锚杆支护； 充填墙体； 数值分析1绪论1.1 问题的提出与研究意义我国煤矿事故死亡人数远远超过世界上其他主要采煤国家。在我国煤矿事故类型中，顶板事故非常严重

2、，近年来的统计数据表明1，顶板事故次数占全国煤矿事故次数的50%55%，顶板事故死亡人数占全国煤矿死亡人数的30%40%，顶板事故发生频率高，死亡人数多，严重威胁着我国煤矿的安全生产。我国一些主要矿区自20世纪70年代以来陆续进入深部开采2。随着国民经济建设的大发展，资源需求量日益增加。2003年我国原煤产量16.67亿t，2004年产量达到了19.56亿t，2005年产量达到了21.1亿t，2006年产量已达到了23.8亿t。由于长期开采，浅部资源日益枯竭，因此，不得不转入深部开采。据统计3，20世纪50年代，我国的立井深度平均不到200 m，而90年代平均深度已达600 m，相当于平均每年

3、以812 m的速度向深部延伸。而东部矿井的向下延伸速度更快，平均每年达1025 m。早在“八五”期间，国内新建的65个矿井的平均深度就达到了588 m。目前我国许多矿区的开采深度都已超过了600800 m，深度超过千米的矿井就有数十个，最大开采深度已接近1200 m，如沈阳矿务局彩屯煤矿（1197 m），开滦赵各庄煤矿（1159 m），徐州张小楼煤矿（1100 m），北票冠山煤矿（1059 m），开滦林西煤矿（1040 m）、北京门头沟（1008 m）、长广矿区（1000 m）。可以预计，随着对煤炭需求量的不断增加，我国将有更多的煤矿进入到1000m以下进行开采。近年来随着采深的逐年增加，深部

4、巷道往往处于复杂的应力环境中，深部巷道地应力增加，围岩应力分布与矿压显现异常，导致围岩岩性恶化，围岩塑性区和破碎区范围大，致使巷道不仅在回采动压影响期间围岩变形及破坏严重，就是采掘影响期间围岩变形也非常严重，而且在应力分布趋于稳定后仍保持快速流变，尤其煤巷两帮的煤层强度小，在采动支承应力作用下，塑性区和破碎区更大，两帮相对移近剧烈，降低了两帮对顶板的支护；应力通过两帮传递到底板，因施工困难、巷道底板一般不支护或支护强度较小，因此，深部巷道底鼓严重，两帮移近和底鼓明显，深部煤层巷道在两帮相对移近过程中，作用于顶板和底板，导致顶板下沉和底板鼓起，两帮相对移近与底鼓相互作用4，即两帮相对移近促进底鼓

5、，底鼓又加剧两帮移近，失修和严重失修的巷道增多，巷道维护十分困难，且常常出现前掘后修、重复返修的现象，与浅部巷道支护有显著的差别。U型通风方式高瓦斯回采面上隅角瓦斯超限问题一直是制约矿区生产能力提高的瓶颈。近年来，虽然通过采取瓦斯抽放等各种上隅角瓦斯积聚防治措施可以减轻上隅角的瓦斯积聚，但是由于采空区涌出的大部分瓦斯都在这里积聚，仍容易在工作面上隅角聚积瓦斯，严重限制和危害工作面生产能力的提高和安全生产。随着采掘工作不断延深，采掘工作面瓦斯涌出量迅猛增长，回采面上隅角的瓦斯积聚不仅限制了采掘设备生产能力和生产效率的进一步提高，而且严重危及到工作面作业人员的生命安全。因此，高瓦斯回采面瓦斯超限的

6、防治已成为目前矿区安全高效生产中迫切需要解决的难题。沿空留巷是煤矿开采技术的一项重大改革，此项技术不仅是实现Y型通风方式、治理工作面瓦斯超限难题的最有效途径，而且还是合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、取消孤岛工作面及缩短搬家时间、防止发火有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效益的一项重大的护巷技术，同时还能实现前进式和往复式开采，其技术优势和经济效益显著。我国深部矿井巷道埋藏深度大，地压高，且顶板多为厚层复合顶板，岩性变化频繁，煤层结构复杂，受断层和滑动构造影响煤层厚度变化比较大，属于典型的深井三软复合顶板巷道沿空留巷问题，目前国内尚没有

7、关于此类相似条件下沿空留巷的公开报道。近年来由于我国越来越多的煤矿进入深部开采，因此开展此类条件下沿空留巷顶板控制技术研究很有必要。它不仅能够有效解决深部的一系列问题，而且对于在推广沿空留巷技术，加快深部高产高效工作面建设，保障矿井安全生产，提高矿井经济效益，保证深部开采的健康可持续发展等具有重大意义。1.2研究现状1.2.1国内研究现状沿空留巷技术自20世纪50年代在我国开始使用以来，一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。目前为止，我国在沿空留巷理论与技术研究方面做了大量的工作，在条件较好的薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已日趋完善，巷旁支护、巷内支护、加强支护及煤帮加固技术已趋成熟，但

8、在条件困难的中厚煤层或厚煤层较大断面巷道中采用沿空留巷技术仍存在着一些技术难题，使得一些矿井在应用沿空留巷技术时没有取得预期的效果，甚至留巷失败，从而限制了沿空留巷技术在我国更广泛地推广应用。孙恒虎教授等5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6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，当基本顶弯矩在巷旁支

9、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，达到运动平衡，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公式。谢文兵教授等7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、端头不同放顶煤长度、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

10、动规律，确定合理充填方式和充填体强度，既可以保证充填体稳定，又可以达到很好的留巷效果。中国矿业大学陆士良教授编著无煤柱护巷矿压显现研究，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于“裂隙带岩层取得平衡前的强烈降沉”的重要观点8。中国矿业大学朱德仁博士提出了长壁工作面端头顶板可能形成“三角形悬板”结构的观点9，10，人们认识到沿空留巷的矿压显现规律与采场老顶的关系，采场老顶结构力学模型为人们研究沿空留巷矿压显现规律提供了启示和契机。何廷峻根据MARCUS板的简化计算法，把三角形悬板看成由若干伪倾斜条梁组成的板，进一步研究了老顶在工作面端头形成的三角形悬板对沿空巷道的危害，并对悬顶破断结构进行了分析，并尝试

11、预测三角形悬顶在沿空留巷中的破断位置和时间，为确定滞后加固沿空巷道的时间和长度提供了理论依据11。中国矿业大学张东升教授采用相似模拟材料模拟和计算机数值模拟，对沿空留巷老顶的破断位置与形状、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初步分析，并给出了充填带宽度和充填材料抗压强度的最低要求12。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阶段13。1） 第一阶段，20世纪50年代起，在煤厚1.5 m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、工人垒砌矸石的工效低、劳动强度大

12、、安全性差等问题，其应用范围受到极大限制。2） 第二阶段，20世纪60年代至70年代，在1.52.5 m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） 第三阶段，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，我国煤矿工作者在引进、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，巷内多采用型钢可缩性金属支架。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

13、后期，沿空留巷技术应用范围又呈减少趋势。4） 第四阶段，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，我国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，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。1.2.2国外研究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的回收率，增加生产的连续性，提高矿井的经济效益的目的，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。德国的巷旁采用硬石膏飞灰加硅酸盐水泥，矸石加胶结料等低水材

14、料充填，目前该国有1/22/3的采区采用这项技术。英国、波兰也发展了这项技术。高水材料巷旁充填是更为先进的一种充填技术，英国于1979年在井下试验成功随后得到迅速的发展，已占全英巷旁充填的90%左右14，德国也引进了这项技术。国外沿空留巷研究已有较长的历史，英国学者Whittaker等人将采场矿压研究的Wilson模型加以发展，利用岩体结构静力关系提出了分离岩块力学模型(Detached Block Theory)；苏联学者B.胡托尔诺依将采场矿压悬梁模型推广到沿空留巷的研究中，得到了计算巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式15。英国南威尔斯大学斯麦脱(Smart)等人提出了顶板倾斜力学模型(R

15、oof Beam Tilt Theory)，这种方法的基本思想是限制巷道煤体一侧到采空区边缘之间的顶板的下沉量，提出了顶板倾斜角和转动支点位置是巷旁支护设计的两个重要参数的观点16。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。国外对沿空留巷巷旁支护机理及方法进行了深入的研究和大量的工程实践，取得了大量的成果。但是，一直应用金属支架作为巷内支护的一般方法，经过2次动压作用的沿空留巷，围岩变形量较大，金属支架难以适应沿空留巷围岩的大变形，支架破坏严重，巷道维护效果较差。采用锚杆支护作为沿空留巷

16、巷内支护方式在国内外尚不多见。1.2.3存在的问题根据上述前人关于沿空留巷的研究成果，可以总结出在以下几个方面还需要进一步加强研究：1） 大采高远距离回采巷道沿空留巷时巷内支护形式的选择，以往多采用金属可缩性支架的被动支护形式，在经受采动影响后支架破坏严重，导致沿空留巷失败，应选择锚杆主动支护方式进行实践研究；2） 充填材料的力学性能很难适应沿空留巷矿压显现的要求，应加强新材料的研究开发工作，充填材料是否一定要具有可缩性应重新认识，应着重研究充填材料刚度与顶底板刚度的关系，从而研究其是否要具有让压性能；3） 深井高产高效工作面快速推进沿空留巷充填工艺，深井复合顶板条件下沿空留巷的矿压显现规律研究，不同充填带宽度对实体煤侧的变形影响情况研究；4） 巷旁支护阻力计算，以往建立的巷旁支护阻力计算模型都没有考虑动压的影响，与实际情况相差甚远。1.3研究内容及研究方法综合运用理论分析、计算机数