专题-沿空留巷的技术进展.doc

1、沿空留巷的技术进展摘要：本文介绍了沿空留巷巷内定义及其理论研究现状，我国沿空留巷支护技术的发展历程及国外沿空留巷技术的发展历程，沿空留巷的矿压规律，沿空留巷填充材料的研究，沿空留巷围岩失稳机理与控制技术，沿空留巷支护结构可靠度的简单分析。1 引言沿空留巷（gob-side entry-retaining）采煤工作面后沿采空区边缘维护原回采巷道。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。沿空留巷一般可使采区采出率提高 10 20%，

2、有些矿井甚至提高 25 30%; 沿空留巷可使巷道掘进率降低 25 33%， 而有些矿井降低的幅度高达 40% 以上。因此，在开采高产高效综采面， 沿空留巷技术受到研究单位和生产单位的高度重视。沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷， 它是煤矿开采技术的一项重大改革， 此项技术不仅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果的一项重大的护巷技术， 而且它也是矿山进行采煤方法改革、实现前进式和往复式开采、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， 其技术优势

3、和经济效益显著。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。到目前为止， 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。2 我国沿空留巷支护技术的发展历程 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

4、以下四个阶段。 第一阶段：20世纪 50年代起， 在煤厚 115 m以下的煤层中尝试着用矸石墙作巷旁支护， 巷道主要采用木棚支护， 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、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 60年代， 在 115 215 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。 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、

5、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 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

6、试验， 并取得初步成功。3 国外沿空留巷技术的发展历程上世纪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60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。4 我国沿空留巷理论研究现状 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大学斯麦脱 (

7、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 0， 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

8、切顶阻力，当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

9、整体浇注护巷带的支护强度和变形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

10、能达到很好的留巷效果。朱川曲教授等根据综放沿空留巷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。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

11、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。5 我国沿空留巷巷内和巷旁支护主要形式5.1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）工字钢梯形可缩性金属支架；（3）U 型钢可缩性金属支架；（4）锚杆支护；（5）锚网索支护；（6）联合支护。5.2巷旁支护主要形式 我国煤矿在应用沿空留巷技术时， 绝大多数都要设置巷旁支护。应用较多的巷旁支护形式有以下几种:（1） 木垛；（2）密集支柱；（3）矸石带；（4）砌块；（5） 巷旁充填带。5.2.1沿空留巷巷旁支护技术沿空留巷从空间上使巷道处于开采后应力

12、重新分布的低应力区， 但从时间上无法避免采动支承应力重新分布过程中的剧烈作用， 巷道需要经受两次采动影响， 矿压显现强烈， 巷道维护难度大 . 但沿空留巷具有煤炭回收率高、 回采工作面衔接合理、巷道掘进率低、 掘进排矸少的优点， 尤其是掘进速度仅为 80 100 m/ 月的煤与瓦斯突出煤层， 采用沿空留巷可以解决采掘接替紧张的难题 . 因而， 沿空留巷一直是煤炭开采技术的重要发展方向 .沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择， 要求增阻速度快， 并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板， 具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形， 同时希望巷旁支护成本低廉， 这些特性推动着巷旁支护技

13、术的发展 .按力学特性可将巷旁支护分为刚性、有限可缩量、 大可缩量几种 . 传统的巷旁支护有木垛、 密集支柱、 矸石带、 混凝土砌块等 .木垛巷旁支护的优点是稳定性好、 架设劳动强度小; 缺点是增阻速度慢、 可缩量大、 支护阻力小、巷道控顶宽度大、 留巷效果差， 不能密闭采空区、 木材消耗量大， 适用于薄及中厚煤层 .密集支柱巷旁支护与木垛相比， 其优点是可缩量小、 早期支撑性能好、 巷道控顶宽度小、 切顶效果较好; 缺点是可缩量小、 支护阻力小、 稳定性差， 不能密闭采空区、 木材消耗量大， 适用于脆性顶板、 中等稳定的薄及中厚煤层 .矸石带巷旁支护的优点节省支护材料、 稳定性较好; 缺点是

14、矸石带的可缩量大、 前期支护阻力小、顶板下沉量大， 构筑矸石带的劳动强度大， 密闭采空区效果较差， 适用于顶板韧性较大的薄煤层 .混凝土砌块巷旁支护的优点是前期支护阻力大、 增阻速度快、 切顶效果好; 缺点是可缩量较小、成本较高、 构筑巷旁支护的劳动强度大， 密闭采空区效果较好， 适用于顶板中等稳定的薄及中厚、 中硬以上的煤层 .传统的巷旁支护存在支护阻力、 可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应、 密闭性能差和机械化程度低等缺点， 不利于巷道维护和防止采空区漏风与自燃发火， 所以长期以来我国沿空留巷基本上只是应用在条件较好的薄及中厚煤层， 条件困难或厚煤层中难以发展， 多采用沿空掘巷 。

15、5.2.2膏体材料巷旁支护膏体材料巷旁支护由胶结料与矸石加水搅拌混合均匀形成膏体状充填材料、 经膏体充填泵泵送、 钢管输送到回采工作面后方由模板构筑的充填空间内凝结而成 . 以矸石为集料的膏体材料在保留高水速凝材料力学特性的基础上显著降低巷旁支护成本， 并能利用大量矸石， 其中矸石占固体材料总重的 85 % 以上， 材料成本可以控制在 90 元/m3以内 . 高水速凝材料巷旁充填沿空留巷时， 水灰比一般小于 2. 51， 材料成本大于 190 元/ m3， 由此可见， 膏体材料巷旁支护体价格低廉， 经济效益显著 .由胶结料 250 kg/ m3， 矸石 1 600 kg/m3， 质量浓度 85

16、 % 配比组成的支护体， 抗压强度增长情况见图 1. 从中可见， 膏体材料巷旁支护体具有早期强度大， 增阻速度快的特点， 4 h 达到 0. 6M Pa， 1 d达到 1. 9M Pa 以上， 可以有效支撑采空区后方巷道顶板、 切落采空区侧下位顶板， 减小巷旁支护及巷内支护的载荷， 减小巷道变形， 6 d 达到 4. 2M Pa以上， 可以满足切顶要求 .膏体材料巷旁支护的塑性变形特征显著， 在载荷达到峰值强度后， 并不立即破坏、 丧失承载能力，只是随着变形增大， 承载能力缓慢下降， 下降速度远小于一般的脆性材料 . 该特性表示在沿空留巷剧烈变形过程中， 巷旁支护适当压缩变形、 卸载， 仍保持较大的支撑力，有效维护巷道。6 沿空留巷围岩控制机理根据岩层控制的关键层理论， 对沿空留巷来说关键层主要指老顶岩层， 它破断后形成的 / 砌体梁0 结构将直接影响沿空留巷的稳定性。巷旁支护必须具有一定的可缩量，以减少对支架的压力。为了保持巷道顶板的完整和减