专题-沿空留巷技术研究.doc

1、专题部分14 沿空留巷技术研究摘要：随着我国社会经济的不断发展，中国的煤炭工业发展迅速，特别是近些年来煤炭工业的管理模式和建设技术都有了显著的进步，对国民经济的发展起着举足轻重的作用。沿空留巷技术是煤矿开采工作面运输巷在回采过程中保留原巷道完整性，并作为下一个采面回风及运料巷的一种施工方法。采用沿空留巷技术，可以节省资源，加快煤矿开采的进度。目前来看，虽然我国煤炭工业建设技术明显有所提高、相关设备也有了一定程度的改进，但在煤矿开采巷道的技术选择和维护上仍存在着一些问题，如果处理不好，将会严重影响职工的生命安全和煤炭工业的稳定发展。本文将对沿空留巷技术现状进行深入的探析，并在此基础上提出一些该技

2、术施工工艺及留巷支护方式，以期为我国煤矿生产提供一些参考。 关键词：沿空留巷技术 尾巷 锚注支护探讨 1 问题的提出为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱。采用一定的技术手段将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用。这种留巷的做法是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷。沿空留巷可以最大限度回收资源。避免煤体损失。2 国内外沿空留巷现状2.1国外现状上世纪60年代英国、德国开始采用。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。分别采用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。现在基本普及无煤柱开采。国外目前主要以无机有机混合结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。我国上世纪70年

3、代引进使用，那时候因为经济基础等因素影响，所采用的方法都没有广泛适应性。后期出现的“高水材料”成本过高、强度和耐久性不足、特别是没有掌握矿山压力规律，从根本上扭转巷道维护困难的局面而没有得到推广。 世界一些主要产煤国家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

4、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、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1418 m2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1/22/3的沿空留巷采用这项技术1415。而且，德国在埋深8001000 m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。

5、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。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，沿空留巷应用于走向开采或倾斜开采根据备件而定。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。2.2我国现状我国沿空留巷发展始于20世纪50年代，首先在一些薄煤层开采中用矸石带代替煤柱作为巷旁支护用，如淄博、鸡西、本溪、双鸭山、枣庄、峰峰等矿区薄煤层中都有应用。但由于矸石的沉缩量大，不能与巷内支架相匹配，使得巷内支架变形严重，维护工作量大，并没有形成完整和系统的无煤柱开采技术体系。20

6、世纪60、70年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支护取得一定成效，但这些方法又各有优缺点。例如，平顶山一矿在丁组中厚煤层，沿空留巷采用密集支柱及抬棚作巷旁支护，巷内支架应用工字钢打立柱加强支护试验取得成功。此阶段沿空留巷的研究是以实测为基础的宏观规律描述阶段，主要是在现场实测沿空留巷围岩变形，支架载荷和与回采工作面距离关系的基础上，根据实测曲线从宏观角度描述具体地质条件下沿空留巷的矿压显现规律。该阶段的主要成果是，比较正确地描述了沿空留巷的若干矿压显现规律，总结出了当时在顶板中等稳定、底鼓不严重的薄及中厚水平煤层及缓斜煤层条件适用的沿空留巷开采技术。其缺陷是，尚不能正确预测不同地

7、质条件下沿空留巷的矿压显现特征，当条件改变时，就需要重新试验，形成了试而再试的经验研究模式，使沿空留巷中的很多基本问题都未得到解决 。在20世纪80年代，随着我国煤矿大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断增大、工作面推进加快、巷道顶底移近量增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的巷旁充填技术的同时，发展了高水巷旁充填护巷技术。但高水充填材料强度低、强度增加慢、易风化碎裂，墙体难以承受采动引起的动压影响，巷道难以维护。高水充填材料的性能差加之充填速度无法紧跟快速推进的工作面，不能实现与高产工作面同步推进，因此，此项技术的应用受到了很大的制约。从20世纪90年代淮南矿业集团为了治理瓦斯，坚持实施科学

8、创新开采。在袁亮院士带领下，淮南在实现充填材料更新、充填工艺及装备机械化的基础上，成功的采用沿空留巷，实现了煤与瓦斯同采。在较好的解决了回采工作面推进上隅角瓦斯积聚以及在高应力区掘巷引发的瓦斯突出和瓦斯爆炸事故的同时，把沿空留巷无煤柱开采推进到了一个新的发展阶段。实践证明，无煤柱开采方案实践可有效地控制瓦斯爆炸、冲击地压等相关事故的发生。通过对岩层运动和矿山压力发展变化规律的研究，正确的进行巷道矿压控制设计以及解决好巷道掘进和维护期间老塘透风问题，完全能够控制原煤柱护巷方案产生的重大事故。在掌握了沿空留巷的内在本质的基础上，西安科技大学惠兴田课题组认真分析近年沿空留巷研究成果。专注于及时和高强

9、两方面兼顾上上下功夫。在此基础上研究并发明了封闭模铸砌体结构。这种隔墙技术由于采用预制混凝土技术作为隔墙高强内核使得隔离墙具有早期高强度，以注浆技术的密闭和充填性作为支护的及时性可以保证砌体墙体既有严密的封闭性又能够及时贴顶支护。这种技术一次解决了现有混凝土隔墙技术无法解决的及时性和高强度问题。而且成本远远低于一般泵送混凝土的成本。对沿空留巷具有代表意义的专利技术：发明3项：一种刚柔复合结构模板及其沿空留巷隔墙施工方法；可变弹性接顶模板及其施工方法；用于沿空留巷的综合一体机及其施工方法。实用新型2项：一种沿空留巷砌筑隔离墙使用的复合模板；一种变形内胎模板。20世纪90年代以来，我国有些学者在厚

10、煤层综放工作面进行了一些沿空留巷研究，如潞安矿务局常村煤矿综放工作面，巷内采用锚梁网索联合支护，巷旁支护采用高水材料充填加空间锚栓加固技术，成功地进行了综放大断面沿空留巷试验。对我国五十年代以来的沿空留巷成果进行分析，得出以下结论：（1）在回采工作面后方附近，由于裂隙带岩层取得平衡之前的急剧沉降，引起巷道顶板在短期内剧烈下沉。一般情况下，沿空巷道顶板下沉速度工作面后方1020 m 处最大，工作面附近沿空留巷维护比较困难。（2）随着煤层厚度的增加，巷内支护可以选用锚杆支护，但最好配合使用工字钢或U型钢可缩性支架进行支护，因为巷内支架对巷旁充填体的稳定性有一定的保护作用。（3）沿空巷道的顶板往往明

11、显向采空区方向倾斜，倾角一般为36。如果直接顶冒落能够填满采空区，则老顶处于平衡状态，采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚成正比关系，一般为采高的10%20%，基本上属于“给定变形”。（4）当煤层厚度小于3.0 m 时，沿空留巷效果较为理想的巷道一般直接顶岩性为页岩、泥岩、砂质页岩等岩层，而且直接顶厚度较大，巷旁支护方式普遍采用整体浇筑式充填带维护巷道，留巷效果理想。（5）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。2.2.1无煤柱开采意义减少巷道掘进量，缓解接续紧张；节约掘进费用，提

12、高综合经济效益；煤炭全部回收，延长矿井寿命，提高社会效益。上世纪沿空留巷技术方案缺陷阻碍了该项技术实施近十年混凝土技术的成熟为沿空留巷打下良好基础。战略意义：开发煤炭资源；提高煤炭回收率 推行无煤柱开采，不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘关系和延长矿井寿命具有现实意义，而且也是使煤炭企业改善安全条件和技术经济指标，增产、增盈减亏的主要途径之一。 根据我国的实践经验和当前的技术水平，目前推行的无煤柱开采护巷分为沿空留巷、沿空掘巷、跨采和预采无煤柱护巷以及在采空区内形成巷道四种形式，其中沿空留巷这种无煤柱护巷方式如果实施技术方案合理的话在技术和经济上有更多优越性，具有广泛意义，因而对于条件适合的

13、矿井都应当优先采用。2.2.2无煤柱采矿经历上世纪60年代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。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。现在基本普及无煤柱开采。国外目前主要以无机有机混合结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。我国上世纪70年代引进使用，那时候因为经济基础等因素影响，所采用的方法都没有广泛适应性。后期出现的“高

14、水材料”成本过高、强度和耐久性不足、特别是没有掌握矿山压力规律，从根本上扭转巷道维护困难的局面而没有得到推广。我国从薄煤层到厚煤层，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，在沿空留巷研究与应用中仍存在着不足之处，使得一些矿井在应用沿空留巷技术中没有取得预期的效果，并限制了沿空留巷技术在我国更广泛的推广。经过几十年的发展，我国一些矿区在沿空留巷方面取得了可喜成绩。一些矿井取得了非常客观的经济效益。沿空留巷技术正处在一个急速起步的黄金时代。2.2.3存在问题尽管无煤柱开采已被公认为是一种先进的技术，具有一系列优点，而且我国从薄煤层到厚煤层，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，都已有沿空留巷

15、的成功经验，但它本身还是一项正在发展的技术，在研究与应用中仍存在着诸多不足之处，由于巷道变形难以控制、充填工艺与工作面的快速推进不匹配等问题，导致沿空留巷应用范围呈现逐渐萎缩的趋势。 在目前的技术水平下，沿空留巷的成败在很大程度上取决于煤层开采条件和顶板条件，我国幅员辽阔，煤层赋存条件多样，煤层赋存条件的不同必然导致沿空留巷围岩活动规律、矿压显现特征各异。目前，结合不同顶板条件，对沿空留巷围岩活动规律的共性与区别研究尚不够深入，制约着沿空留巷技术的发展与应用。 (1) 直接顶厚度对采场顶板破断及结构位态的影响研究不够。采场老顶的活动规律特别是侧向顶板的结构及活动规律对沿空留巷巷道围岩变形影响最

16、为显著，沿空留巷充填体和巷道围岩共同作用下对老顶断裂线位置的影响研究尚不够深入，不同顶板赋存留巷矿压显现的差异性表明需结合顶板赋存条件特别是直接顶厚度进行研究。 (2) 不同顶板赋存条件下的巷旁支承压力分布特征及留巷充填体的承载性能研究不足。对充填体支护阻力的设计通常是不分顶板条件统一考虑的，而现场试验及实验室实验表明，顶板条件不同沿空留巷巷旁支护阻力是不同的，应对不同顶板条件下支护阻力分类计算才能有效指导现场试验。 (3) 充填区域顶板承载性能研究不够深入。以前研究多侧重巷旁充填体支护阻力、顶板破断规律，对沿空留巷充填区域顶板承载性能、载荷传递特征、与墙体刚度的匹配性研究不多，而现场实践表明，充填区域顶板承载性能是能否形成顶、墙、底承载体的关键，是决定沿空留巷能否成功的关键因素之一。 (4) 不同顶板赋