1、留小煤柱沿空掘巷技术及可行性分析摘要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，沿空掘巷的巷道处于应力降低区，有利于巷道的维护。它具有能多回收煤炭资源，易维护等优点，已在许多矿区得到了广泛的应用。在工作面巷道布置中，推广留小煤柱沿空掘巷技术对提高煤炭资源回收率有重要意义。沿空掘巷分为完全沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷两类。由于完全沿空掘巷在实际运用中因采空区的水和瓦斯及其冒落的矸石会对巷道的正常掘进构成危险，而且给掘进通风造成一定的影响，其技术难度相对较高，因此近年来留小煤柱沿空掘巷得到
2、了更多的认可及应用。关键词：沿空掘巷, 小煤柱, 锚杆支护, 合理煤柱宽度1 前言近年来，国内外对沿空掘巷开展了大量的研究工作，推动了沿空掘巷技术的发展。现场开采表明，沿空掘巷变形相当普遍，但变形程序大小不一，特别在回采期间，巷道常发生严重变形，使通风阻力大、风速高、煤尘飞扬，快速推进困难，成为制约机械化开采的一个重要因素。为了确保安全开采，必需合理选择巷道支护方式，有效控制巷道变形，解决巷道变形引起的供风不足和不断扩巷翻修的现象。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
3、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。2 沿空掘巷时留小煤柱的作用(1) 沿空掘巷留小煤柱是否起承载作用。从国内外多数矿井的情况看，沿空掘巷时留下的小煤柱都受到不同程度的压坏。因为靠近采空区边缘的煤体己遭受过残余支承压力的早期破坏作用。由应力集中原理可知，回采引起的支
4、承压力最初是集中在煤体边缘，随着这些地区出现弹性变形或破坏，集中应力才转移到煤体深部。因此靠近采区边缘的小煤柱，其抗压强度显然远低于原始强度，据研究其承载能力随高宽比的不同仅为原来的485-55。此外，小煤柱(带状煤柱)的强度还随着高宽比的增大而减少。因此可知，小煤柱对支承板起不了多大作用，但实践表明多数巷道仍可维护。这是因巷道位于煤柱边缘已处于卸载的低压区的缘故。当然也有因留小煤柱而使巷道难维护的情况。如因煤体边缘的顶板未很好冒落而形成一定的悬梁(一般可达8-9米或更大)，这就造成巷道压力大而很难维护。从鹤岗、双鸭山等矿的实践认为，留小煤柱反而不如不留为好。可见，留小煤柱沿空掘巷的使用有其局
5、限性，要从根据现场的实际条件来确定使用留小煤柱沿空掘巷是否合适。(2) 小煤柱是否起隔绝采空区气体作用。多年来一直沿用留煤柱作为隔离井下火区，防止漏风和隔绝采空区有害气体之用。观测证明：大小不同的煤柱都存在不同的漏风现象，厚煤层的下分层巷道的漏风更为显著。观测还证明支承压力影响带柱的透气性要比该影响带之外大得多，其值按各煤田具体条件不同可增大l7-22，甚至有大一倍的，同时瓦斯的自然释放率也高达80-90。因裂隙的这种通气作用，即使是35O米大煤柱其边缘也有较好的透气性，而宽度小于5米的小煤柱就更难防止漏风和隔绝气体了。此外，由于掘进施工上的原因，往往会与采空区穿透而涌入有害气体或向采空区大量
6、漏风，因此隔绝作用是不可靠的。目前，在很多现场中大都采用小煤柱注浆的方法来将煤柱密封使其达到隔绝采空区有害气体的作用。(3) 小煤柱的挡矸和防水作用。对于含水较大尤其是水中夹有泥沙的矿井，留小煤柱挡水和挡矸效果较好。从煤柱全应变的过程看，煤柱受载出现初次破坏后，其支承能力并不完全丧失。而水和矸石的运动特征又与空气及瓦斯的流动不同，尽管煤柱已出现裂缝或局部塌落，但只要煤柱留有残根，仍可起到防水和挡矸的作用。3 小煤柱宽度的选择沿空巷道能否取得良好效果，主要取决于巷道是否布置在有效卸载的低压区。而小煤柱的尺寸就影响沿空巷道的稳定性。小煤柱宽度的选择与残余支承压力的分布形式有关。支承压力曲线分布形式
7、和其峰值位置是与开采深度，顶板岩石性质和煤质软硬有关。通常顶板软或煤质硬的高压区范围较小而应力集中程度较大，其峰值距煤壁较近。此时煤体边缘卸载带宽度较小，这时如所留小煤柱的宽度较大，就易使巷道接近高压区。如鸡西、鹤岗等矿井留4-5米小煤柱时，巷道维护极为困难就可能属于这种情况， 同时可看出缩小煤柱宽或不留煤柱能改善巷道维护。显然，在卸载带宽度较大的情况下，即使留宽的小煤柱也不致使巷道维护困难。如新建矿留3-5米小煤柱时，巷道状况较好。据国外的研究，这与煤体边缘卸载带宽度等有关。因此应根据各矿的卸载带宽度的大小不同来作为选择煤柱留设宽度的依据。3.1 沿空掘巷的合理煤柱留设沿空掘巷的支护效果，不
8、仅取决于煤岩自身的力学性质、支护形式，关键还取决于留设煤柱大小。煤柱宽度影响巷道围岩应力状态、围岩位移场分布，合理的窄煤柱尺寸，将使巷道处于巷道围岩应力相对较低，同时围岩性质能保持较好的位置。这样既能保持锚杆具有较好的锚固力，又有利于窄煤柱本身的稳定；同时还可以使锚杆锚固后的窄煤柱具有一定的承载能力，使其与巷道的实体煤帮共同承载，改善巷道围岩小结构的应力状况，保证小结构的稳定。3.2 合理设计窄煤柱宽度原则(1) 相对有利的应力环境当区段工作面回采结束后，在采空侧煤体中将形成成一个垂直应力相对较低的区域，沿空掘巷宽度和窄煤柱宽度之和在条件可能的情况下，应以布置在此区域中为好。(2) 保证锚杆具
9、有良好锚固性能的原则保证锚杆安设基础的围岩性质较好是另一个应注意的问题。较好的围岩性质能够保证锚杆具有较高的锚固力，真止发挥锚杆的支护作用。因此，锚杆不能安设到上区段开采后在窄煤柱中引起破碎的区域中，窄煤柱内部应有相对稳定的区域。如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，而且锚杆在破碎煤体中的锚固力小，锚杆支护作用降低，巷道维护必将困难。因此，应将锚杆锚固在上区段工作面回采产生的破碎区外的稳定煤体中。当窄煤柱破坏较为严重时，锚杆钻孔在凿出后 久会出现塌孔现象，致使锚杆的安装无法正常进行，故在实践中应予以考虑。(3) 预留巷道围岩变形的原则沿窄掘巷合理的窄煤柱宽度不但要能保证巷道围岩的稳定性，
10、而且在现有的支护条件下，围岩的变形量应能满足生产过程中对断面的使用要求。(4) 有利于窄煤柱自身稳定的原则窄煤柱的尺寸也将直接关系到窄煤柱自身的承载能力，煤柱过窄，不但煤柱破碎、顶煤及实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。数值模拟结果表明，煤柱较小时，随煤柱宽度增大，巷道围岩变形量减小，煤柱宽度达到一定值后，随煤柱宽度增大，巷道变形量增加。(5) 采出率高的原则煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小窄煤柱宽度。3.3 煤柱尺寸根据压力拱中的应力分布特点，掘巷的位置有4种：1）在应力降低区中无煤柱沿空掘巷；2）留小煤柱沿空掘巷；3）在应力升高区中的煤柱护巷；4）在原
11、始应力场的大煤柱护巷。在应力升高区掘巷，巷道不易维护;在原岩应力区掘巷，煤柱损失比较大;无煤柱掘巷存在巷道通风、上区段采场采空区残煤自燃、采空区积水等不利因素。沿空掘巷的最佳位置为留小煤柱的沿空掘巷，最佳煤柱尺寸应是在煤柱煤体不出现宏观裂隙、不会向采空区漏风、诱发自燃、有一定的承载能力、能满足巷道维护要求的最小的煤柱尺寸。煤柱的留设主要取决于自身的可加固性和承载能力。图1 煤柱尺寸与巷道围岩变形的关系曲线1采动期两帮移近 2采动期顶板下沉3掘巷期两帮移近 4掘巷期顶板下沉从图1中可以看出，在窄煤柱(35 m，0.5 m松散煤体)范围内，围岩变形发展有如下的趋势：掘进期间围岩变形受煤柱尺寸影响较
12、小，2.5 m和5.5 m煤柱围岩变形相近，3.54.5 m相应大一点，可以认为几乎没有支撑能力的煤柱和具有一定支撑能力的煤柱掘进期间较稳定，过渡阶段变形量较大，这是煤柱支撑效应形成的转折点；回采期间，可以明显看到相对应的结论，太小的煤柱不利于维护，这有可能是围岩过于破碎导致的结构性变形，窄煤柱尺寸过大也不利于维护，有可能是应力增加过快导致的。在小煤柱范围内，实体侧煤体随煤柱宽度增加，变形量趋向减缓，衰减幅度降低；采空侧则有一个起伏，过小或过大的窄煤柱变形都较大。因此，通常得出的窄煤柱的合理范围应该在35 m，在这个范围内进一步分析则很复杂，相差12 m的矿压现象区别也较大。通过综合考虑煤体硬
13、度、采空侧顶板的破碎程度和悬顶状况、对煤柱整体性的要求、变形的特征、对巷道变形量的控制程度等因素，确定区段煤柱为25 m。为最大限度地回收煤炭资源，在特殊地质条件下，确定合理的煤柱宽度及锚网支护参数，有利于改善巷道围岩应力分布和有效控制围岩变形量。3.3.1 合理确定靠采空区侧煤柱尺寸工作面两巷均有一帮与采空区相邻，需留一条窄煤柱护巷。以龙固矿区为例，根据大量观测资料统计，为减少围岩移近率使巷道稳定并减少煤柱损失，煤柱宽度应尽可能小一些。但若煤柱过窄，则开巷后易于迅速破裂而使锚杆的锚固力减弱。图2 合理煤柱宽度示意图故合理的最小煤柱宽度B按下式计算:式中-上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽
14、度,m ;-锚杆锚入煤柱的深度，取1.8m ;- 安 全 系 数，式中 ：m 上区段平巷高度，取2.5 m;A 侧 压 系 数，A=/(1-),泊松比，取 0. 24 ;- 煤体内摩擦角，取33.170;- 煤体粘聚力，取4.73MPa;k 应力集中系数，取0.4;H 巷道埋藏深度，取650m ;R 岩层平均体积力，2.49t/m3; 上区段平巷支架对下帮的支护阻力。以龙固煤矿有关参数代入公式，求得最小护巷煤柱宽度5.2m。3.4 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
15、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问为35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区落矸，一般均采用留窄煤柱沿空掘巷 根据极限平衡区宽度计算公式及采空区的应力分布情况，确定了窄煤柱宽度在6-8 m最为适宜，这样既能保证巷道布置在卸载区内，又能防止采空区
16、瓦斯和水的涌人，保证安全生产。(3) 必须有合理的支护形式和支护参数。沿空掘巷合理的支护应为锚杆支护，在锚杆支护设计上应遵守以下原则：第一，顶板采用锚、网、钢支护，使巷道围岩和锚杆支护体系形成一个整体，从而提高巷道围岩的稳定性；第二，顶部两帮要比顶部锚杆加长200 mm，以使顶板的部分载荷转移到巷帮煤体上；第三，两帮锚杆采用有预应力的锚杆，以便及时对煤帮产生挤压和加固作用。4 沿空掘巷矿压显现及围岩控制技术4.1留小煤柱沿空掘巷支护的对象众所周知，锚杆支护方式的技术优势在于：它能够及时主动地对顶板进行支护，并同时提供预紧力，防止顶板离层，保持和提高围岩的抗载能力，属于主动支护。对于留小煤柱沿采空区掘进的巷道而言，由于巷道邻近采空区，顶板在巷道开挖前就已经出现离层甚至断
