1、专题部分综采工作面沿空掘巷技术浅析摘要：沿空掘巷技术是我国煤炭行业发展高效、绿色开采体系中重要的组成部分。随着采矿技术的发展，沿空掘巷技术以其能提高采出率、改善生产接替以及提高矿井的经济技术效果等优点在煤矿开采中得到了广泛的应用。本文针对沿空掘巷技术，建立力学模型，分析沿空掘巷矿压显现及覆岩移动规律，并且提出了合理的沿空掘巷围岩控制原则。另外参考沿空掘巷成功应用的工程实例，总结了沿空掘巷围岩控制的主要技术手段，对综采工作面沿空掘巷技术进行了全面的陈述。关键词：沿空掘巷；窄煤柱；锚杆；围岩控制；支护The Analysis of Along Goaf Roadway Technology in
2、Mechanized Mining FaceAbstract: Along goaf roadway technology is an important constitute part of developing high efficiency and green mining system in our countrys mining industry.With the development of mining technology,along goaf roadway technology has been widely applied for its advantage in imp
3、roving recovery rates, ameliorating production and excavates taking over, enhancing the economic and technological effects.Aimed at along goaf roadway technology,a mechanical model was creatd based on the analysis of mine pressure and movement rules of overburden rock appeared during the application
4、,and a reasonable surrounding rock control principle was put forward.Furthermore,by referencing the successful application engineering example of along goaf roadway technology, the main technique method in surrounding rock control was given with a fully comprehensive statement of along goaf roadway
5、technology in mechanized mining face. Keywords: Along goaf roadway；Narrow coal pillar； rock bolt ；Rock control； support1前言综合机械化采煤工艺是用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和自移式液压支架支护顶板的采煤工艺，简称“综采”。这种采煤工艺方式使采煤过程中破煤、装煤、运煤、支护和处理采空区等主要工序全部实现了机械化，大幅度降低了劳动强度，提高了工作面单产及安全性，是目前主要发展的采煤工艺。针对这种采煤工艺，逐渐产生了很多行之有效的采煤方法，沿空掘巷就是其中一种先进的有效的采煤方
6、法。沿空掘巷是指随着采煤工作面的开采，将工作面回采巷道废弃，而在下区段回采时完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱掘进巷道，是一种较为先进的采煤方法，不仅可以合理开发煤炭资源，改善巷道围护，减少变形量，而且有利于矿井安全生产和改善矿井的经济技术效果。实践证明，回采巷道实现沿空掘巷后，矿井采出率可提高10%20%，有的甚至提高25%30%，可明显地改善矿井采掘接续紧张状况，特别是对容易自燃发火的煤层能很大程度地消除自燃发火根源，对降低瓦斯涌出有明显作用，并能使回风流中的瓦斯含量减少，特别是在中厚煤层中，采用沿空掘巷技术具有显著的经济效益和社会效益。综采开采时，一般沿煤层底板开掘工作面回采巷道，巷道顶板和
7、两帮全部为煤体，为全煤巷道。留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。区段平巷双巷掘进和使用，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利。但是，煤柱损失高达10%30%；且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤柱宽一般为1030m。从50年代开始，国内外开展了主要包括沿空留巷和沿空掘巷两种方法的无煤柱护巷技术的试验研究；沿空留巷是在上区段工作面回采的同时构筑的，受到采空区岩层剧烈活动的影响
8、后，无论是顶底板，还是两帮都剧烈变形，巷道维护困难；而沿空掘巷是在第一个工作面采空区岩层活动基本终止，回采引起的应力重新分布趋于稳定后掘进，巷道位于应力降低区，采用较小的煤柱和合理的支护技术保证巷道在掘进及掘后围岩变形较小，煤柱宽度一般为47m，因此沿空掘巷的应力环境和维护条件均优于沿空留巷。在生产实践中，沿空掘巷有沿采空区边缘掘巷和留小煤柱掘巷，当留小煤柱掘巷时，小煤柱越宽，巷道就越靠近支承压力峰值。当本工作面采动，二次采动引起支承压力与初次采动引起支承压力叠加，从而使工作面前方巷道承受更大的支承压力，小煤柱产生剧烈破坏，巷道周边的塑性区、破碎区的范围进一步扩大。从顶板岩层运动角度来分析，回
9、采巷道的变形是由于顶板岩层的挠曲运动而引起支承压力重新分布所致。开采引起采空区边缘煤体上方顶板以一定的垮落角依次向采空区延伸，悬露顶板及部分上覆岩层重量大部分转移到侧向煤体上，小部分由采空区冒落松散体承担，因此，在煤体边缘一定范围内由于上覆岩层悬臂岩梁平衡结构的保护而成为减压区，沿空掘巷应位于断裂顶板平衡岩梁保护之下的减压区，才能有效地避开侧向支承压力对巷道的影响。90年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展，取得了有益的结论，提出了沿空掘巷的理论依据，并把沿空掘巷的类型分为三类，即完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留1520m煤柱沿空掘巷。2国门内外研究现状综述沿空掘巷是
10、煤矿井下回采巷道的一种典型形式，一般在相邻工作面推过8个月、或相应距离间隔后开始沿采空区掘进，所留煤柱较小，因此沿空掘巷在其纵向处于相邻采空区的支承压力稳定带、在其横向处于支承压力己释放的煤壁塑性区。沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷、与采空区之间留窄煤柱的沿空掘巷。煤柱宽度对巷道稳定性的影响，主要有两个方面:一是影响巷道围岩应力；二是影响巷道围岩完整性。具体可分为:沿空掘巷围岩的应力状态、沿空掘巷的矿压显现规律和窄煤柱稳定性原理。国内外在沿空掘巷煤柱研究方面做了大量工作，取得了大量成果。2.1工程实践研究综述在国内，沿空掘巷技术的发展大体可以分为以下几个阶段1:（1）20世纪50年代的萌芽阶段，有
11、个别矿井自发地应用沿空掘巷技术；（2）70年代的发展阶段，该阶段对沿空掘巷开始矿压研究，并取得了可喜的成果；（3）80年代初期的完善阶段，提出了沿空掘巷围岩变形特征；（4）90年代的成熟阶段，随着锚杆支护的大面积推广应用，极大的促进了沿空掘巷技术的发展。我国煤矿巷道布置在20世纪70年代以前主要是学习借鉴前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤柱护巷系统。但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难；厚煤层分层开采或近距离煤层群联合开采时，区段煤柱的留设造成的应力集中，不利于下分层或下层煤的开采；厚煤层分层开采时，区段煤柱的留设易于引起煤层自然发火；煤巷采用炮掘法施工，掘进速度慢，双巷布置时准备时
12、间较长。因此，自20世纪70年代后期，我国开始试验推广跨上山沿空掘巷（或沿空留巷）技术。目前，在厚及特厚煤层分层开采中仍主要采用这种布置系统，包括充州矿区在内的许多采用综采放顶煤开采技术的矿区也主要沿用了这种系统。2.2理论研究综述前苏联乌日洛夫矿观测了距采空区不同距离内开掘的巷道变形。结果表明，采空区边界附近煤体的支承压力明显影响范围约为10m，位于支承压力最大影响带(46m)内的巷道产生失稳和较大变形。南非尔岗煤田通过对煤体边缘残余支承压力的观测，得出最大支承压力作用在煤体边缘10m处2。我国早在上个世纪70年代，为配合推广无煤柱护巷技术，先后在开滦、阳泉、平顶山等矿区的三、四十个工作面进
13、行了沿倾斜方向煤体残余支承压力的现场观测，取得了大量的观测结果。通过现场观测结果，对于煤体边缘的力学状态可以分为:卸载松散区、塑性强化区、弹性变形区、原始应力区3。在具体的采矿与地质条件下，有些因素影响采空区边缘煤体应力分布和力学特征。根据国内25个矿区24个矿井27个工作面的观测统计分析，得出主要影响因素有：煤体硬度、直接顶岩性、煤层倾角、煤层采高及开采深度，并得出卸载带宽度、塑性带宽度和影响带宽度的计算公式。7080年代，国内许多院校和研究院所利用相似材料模型，进行了有关煤体边缘应力分布的实验研究。张顶立应用数值模拟方法，对不同煤柱宽度下巷道变形和煤柱中的应力分布进行了分析，得出了巷道变形
14、规律及煤柱中应力分布规律。王同旭在其博士论文中建立了巷道等效不稳定系数的概念，并对煤柱宽度的影响进行了分析。尚海涛在实验室对潞安矿务局煤柱合理尺寸进行相似材料模拟试验研究，进而分析了煤柱尺寸对开采的影响。西安科技大学通过相似材料模拟实验，验证了采深采高、倾角和直接顶等力学参数对沿倾斜支承压力的影响，并得出最大应力集中系数K的关系式。重庆大学采用立体相似模拟，得出煤体边缘支承压力的近似关系，认为支承压力峰值距煤体边缘3-5m，峰值压力集中系数约为1.5，支承压力影响范围为25m左右4。1985年，西安科技大学吴绍倩教授在对采场及沿空煤柱矿压规律进行了深入研究，并结果实际矿井观测结果，系统地提出了
15、无煤柱开采技术，并将该技术在实际矿井进行了应用和推广。刘洋在总结大量煤柱研究的基础上研究了煤柱强度和变形规律，煤柱破坏过程以及合理的煤柱宽度留设方法。李庆忠对综放面小煤柱护巷进行了分析，研究了综放条件下的窄煤柱的变形破坏机理。从理论上讲，沿空巷道布置在沿空侧的塑性变形区即应力降低区，小煤柱的宽度与巷宽之和必须小于塑性变形区的宽度才能保证下区段上顺槽是安全的。但同时也受其他条件的约束：（1）煤体本身的强度；（2）煤层埋藏深度、顶底板岩性、煤层倾角、采空区的范围、顶板管理方法、邻近煤层开采情况等因素；（3）煤柱的形状、尺寸以及煤柱的保留期限。目前在理论研究方面沿空掘巷取得了一些有益的结论:（1）窄
16、煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度；（2）留窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支承作用减小，增加了巷道跨度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难；（3）窄煤柱裂隙发育、甚至破碎，不同程度存在漏风现象；（4）留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以及隔离采空区是有利的。3沿空掘巷巷道围岩变形的影响因素沿空掘巷巷道变形与破坏主要受三方面因素的影响5:一是巷道工程赋存情况，主要包括应力环境、地下水环境和温度环境；二是巷道围岩地质条件，包括煤岩体的物理力学性质、地质构造及节理、裂隙发育程度；三是巷道施工因素，包括巷道类型、巷道断面形状和尺寸、巷道开挖方式、巷道支护形式、支护参数和支护时机。3.1围岩岩性和顶底板条件结合工程实际需要，根据不规则岩块力学性质实验及指标，对围岩进行分类。在原岩应力作用下，巷道围岩变形随着围岩类型的升高，
