专题-沿空留巷围岩控制技术研究.doc

1、沿空留巷围岩控制技术研究摘要：沿空留巷技术是我国采煤技术的一次重大技术变革,可提高煤炭资源的回采率,降低巷道的掘进率,使采掘接替合理。开采高瓦斯煤层工作面采用沿空留巷“Y”型通风方式,解决了工作面上隅角瓦斯积聚与超限问题。巷内支护采用主动支护，巷旁墙体的力学性能与沿空留巷围岩变形相适应是沿空留巷技术的关键，结合当前理论研究发现，巷内采用锚杆支护，巷旁运用高水材料充填可取得良好效果。关键词：沿空留巷；锚杆支护；巷旁充填1 绪论随着人类对煤炭需求量的日益增加，开采规模不断扩大，浅部易采的煤炭资源日趋枯竭，地下矿山向深部开采是必然趋势。目前我国己有一些千米深井，孙村煤矿目前平均采深1055 m，最深

2、的沈阳矿务局彩屯矿达1449 m，开滦矿务局赵各庄矿达1160 m，一些老矿区，特别是东部矿区的部分矿井己进入深部开采，安徽淮南的谢桥、张集、丁集、顾桥、刘庄及望峰岗等矿井也己进入深部开采。我国煤矿平均采深以9-12 m/a左右的速度递增，预测今后10-20 a内我国很多煤矿将进入到1000-1500 m深度。在我国煤炭资源埋深在1000 m以下的为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53 %。这使得深部开采成了未来采矿业发展的必然趋势。1.1 问题的提出及研究意义深部开采必然带来新的问题。深部的岩体处于的“三高”状态，即高地应力、高温、高孔隙水压力。这必然会随采动或掘进的进行导致一系列的工程响应

3、，如:煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等，致使巷道变形严重，从而严重影响生产效率和生命安全。随着矿山开采逐步向深部拓展，煤与瓦斯突出发生的频度和强度都逐渐增大，国有煤矿自然灾害较重。瓦斯、水、火是我国煤矿的主要灾害。原国有重点煤矿中高瓦斯矿井占26.8%，煤与瓦斯突出矿井占17.6%，除山东、内蒙古的大部分矿区为低瓦斯矿井外，其他地区的瓦斯普遍较高，并有相当一部分煤矿瓦斯涌出量大，突出次数多，强度大。近十几年来，我国煤矿的开采技术条件发生了很大变化。一是煤矿的客观地质条件和灾害条件发生了很大变化，煤炭大量开采使井下开采深度迅速增加，己经出现了千米深井，开采深度普遍在500 m以上;二是随着开采

4、深度的增加煤层沼气含量、煤和瓦斯突出增加;三是随着开采深度增加造成应力增大，甚至出现冲击地压的危险性急剧增加。这三个客观问题，已成为准备巷道提高掘进速度的主要抑制因素，同时也使回采工作面巷道变形严重。维护巷道造成人财物的大量浪费，生产受到不良影响。从主观上讲，市场经济对企业提出了如何提高经济效益少留或不留煤柱，并实现安全开采的要求。传统的U型通风方式无法解决深部采煤工作面上隅角瓦斯超限问题，随着开采深度的增加，高瓦斯煤层群采煤工作面的瓦斯涌出量将显著增大。Y型通风方式是两进一回的通风系统，即采煤工作面的上、下巷都进风，而其中的副进风巷在采空区一段则变成回风巷，并由巷旁充填支护，见图1。图1-1

5、 Y型通风工作面通风示意图它与U型通风系统相比，不仅从根本上解决了上隅角瓦斯积聚难题。而且运煤、运料设备、供电、供水等管线都在新风中，而回风巷内既无电缆、轨道，也无管路，成为专用回风巷，这样就大大提高了安全性。同时，采煤工作面机电设备散热和采空区氧化热直接进入专用回风巷，工作面两进风巷均处于进风系统，对高温采煤工作面具有明显的降温作用，同时随着科技的发展对瓦斯（煤层气）的集中抽采利用又提出了一种新的洁净能源利用方式。Y型通风在深部开采势在必行。深井沿空留巷必然会给巷道支护带来一系列的问题，如地压增大，巷道压力大，其围岩变形量显著增大，支护物损坏严重，巷道翻修量剧增，巷道维护变得异常困难，深井回

6、采巷道因围岩属性较差且受采动强烈影响，其围岩控制要比一般地下巷道困难，而其深井沿空留巷难度更大，因为沿空留巷与回采巷道不同，其巷道的一侧帮为煤体，另一侧帮为巷旁支护体，属大变形围岩，同时，还必须承受掘进和两次强烈的采动产生的叠加应力的影响，矿压显现剧烈。巷道变形收缩量大，而通过从根本上改变围岩应力来控制减小这种变化又是不可能的。构建合理的沿空留巷受力模型，确定合理的巷内支护和巷旁支护形式，并对充填体强度进行了分析，使支护体能适应深井沿空留巷围岩剧烈活动规律的要求，以推动沿空留巷技术更广泛的应用，本论文对我国深部矿井实现Y型通风方式、治理工作面瓦斯超限难题、提高煤炭采出率和减少巷道掘进量具有一定

7、的理论意义及实际应用价值，深井沿空留巷技术的发展，必将带来巨大的社会、经济效益，具有很好的推广应用前景。1.2 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、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。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德国、英国、波兰等国家。俄罗斯在应用沿空留巷技术方面做了大量的研究工作，在理论上，通过对顶板分类的研究，提出了一些分类方案，并指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

8、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;在实验室中，利用相似模拟实验研究了沿空留巷的矿压显现特点，并进行了有关材料特性、支架强度和可缩性的研究;在现场，对许多专门为沿空留巷设计的支架进行了试验，并结合理论分析和实验室研究进行了各种实测工作，据报导，至1993年，俄罗斯无煤柱开采产量占80%，对不同矿区变动在60% - 90%之间，在各种无煤柱护巷方式中，应用最广的是沿空留巷，占65%。德国无煤柱开采多为沿空留巷，过去其传统的巷旁支护多采用木垛、研石带等，60年代末德国根据本国资源特点，研究成功了采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、研石加胶结料等低水材料

9、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14-18 m，断面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好经济效益。目前，该国有1/2-2/3的沿空留巷采用这项技术。而且，德国在埋深800-1000m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，巷旁支护多采用研石带，并研制出了研石带机械化砌筑装置。同时，在提高研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研石带。英国1979年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，高水材料充填己占全英巷旁充填的90%左右。英国南威尔斯大学斯麦脱（Smart）于19

10、82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。1.3 国内沿空留巷技术研究的现状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：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研石墙作巷旁支护，巷内主要采用木棚支护，其存在着研石的沉缩量大、巷内支架变形严重、维护工作量大、工人垒砌研石的工效低、劳动强度大、安全性差等问题，其应用范围受到极大限制。第二阶段，20世纪60年代至70年代，在1.5-2.5 m厚的煤层中应

11、用密集支柱、木垛、研石带、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。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U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年代中后期，沿空留巷技术应用范围又呈减少趋势。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

12、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。孙恒虎教授等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

13、基本顶弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。垮落的研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研石的支撑下，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。谢文兵教授等在工程实践基础上，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

14、，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。华心祝教授认为应该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。目前国内外在应用沿空留巷时，绝大多数都要设置巷旁支护。应用较广的巷旁支护主要有:木垛巷旁支护、密集支柱巷旁支护、矸石带巷旁支护、人造砌块巷旁支护以及巷旁泵充填支护技术等。我国主要

15、矿区巷内支护见表1-1，表2统计了我国不同围岩条件下沿空留巷巷旁支护所采用的支护形式。表1-1 我国主要矿区巷内支护形式一览表矿井及工作面名称工作面地质条件巷道断面尺寸（宽高）/m2巷内支护形式平顶山一矿21052面倾角7,煤质松软，顶板中等稳定，底板为煤层，较软， 巷道断面7.9U型钢、工字钢和可缩性支架阳泉二矿61000面顶板中等稳定，底板较硬，煤质较硬（3.54.2）（1.82.3）工字钢和金属摩擦支柱徐州张集矿4204面煤层平均倾角22，直接顶1.27m，粉砂岩，基本顶11.44m，中砂岩巷道断面6.8工字钢支架和锚杆支护枣庄井亭矿6402面煤层倾角14，顶板较硬，6.5m2.52.4单体液压支柱支护表1-2 工作面围岩分类及相应的巷旁支护形式一览表工作面顶板围岩分类情况采高/m巷旁支护形式级类至级类3.0高水材料充填级类至级类3.0高水灰渣充填级类至级类2.5木密集支柱级类至级类2.0金属摩擦密集支柱级类至级类3.0混凝土砌块墙级类1.5木垛级类1.5矸石带1.4 沿空留巷待解决问题及技术难点到目前为止，我国在沿空留巷技术的应用方面进行了许多的探索，积累了丰富的经验，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，由于我国煤矿地质条件多样，沿空留巷围岩控制机理研究复杂、巷旁支护技术还不十分完善，