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沿空留巷围岩控制技术研究 沿空留巷是在工作面后方沿采空区边界维护巷道。沿空留巷能合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾防止发火，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果，也是矿山进行采煤方法革、实现前进式和往复式开采的最有效途径。因此，在开采高产高效综采面，沿空留巷技术受到研究部门和生产位的高度重视。本文阐述了沿空留巷围岩破断的规律和特点，并且提出围岩控制的方法和技术，使沿空留巷可以广泛应用于国内煤矿，实现高产高效。绪论问题的提出和研究意义沿空留巷是在工作面后方沿采空区边界维护巷道。沿空留巷能合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾防止发火，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果，也是矿山进行采煤方法革、实现前进式和往复式开采的最有效途径。1根据对现有无煤柱开采系统的分析空留巷一般可使采区采出率提高1020%，有些矿井甚至提高2530%，如柴里煤由60%提高到85%；沿空留巷可使巷道掘进率降低2533%，而有些矿井降低的幅高达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部门和生产位的高度重视。目前我国沿空留巷技术在中厚以上煤层应用较少，且多为单巷留巷。研究现状国内研究现状沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷，无论在护巷技术、利用煤炭资源上还是在采煤方法上都比留煤柱护巷具有更好的技术经济优势。例如，淮北矿务局杨矿2N11522工作面应用沿空留巷，不仅实现了前进式开采，而且采用沿空留巷技术后可多回收一条15m宽的护巷煤柱，多采出煤炭7.644万t，净增产值764.4万元(煤按100元/t)；晋城矿务局古书院矿491306工作面风巷进行沿空留巷，留巷取消了留设的11.6m煤柱，减少煤炭损失26.7t/m，降低采区巷道掘进率40%以上，缓和采掘接替紧张关系，沿空留巷成本比综掘成本降低了17.7%，比炮掘成本降低22.5%。因此，从20世纪50年代我国开始在煤矿应用沿空留巷技术以来，沿空留技术就一直受到生产单位与科研部门的高度重视和广泛研究。我国关于沿空留巷技的研究和发展情况，归纳起来，认为大致可分为以下四个阶段56。第一阶段，20世纪50年代起，在煤厚1.5m以下的薄煤层中尝试着用矸石墙巷旁支护维护工作面后方巷道，使一条巷道成功应用二次。但存在着矸石的沉缩量大不能与巷内支架相匹配，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，并且很不安全。第二阶段，20世纪60年代、70年代在中厚煤层(1.5-2.5m)应用密集支柱、木垛砌块等作为巷旁支护取得一定成效，但这些方法各有一些优缺点。第三阶段，20世纪80年代在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、巷道顶底下沉量增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的巷旁填技术的同时，发展了高水巷旁充填护巷技术。然而应用这种技术要建立一套复杂充填材料加工、运输和泵运充填系统，并装备相应的一整套设备，生产成本较高，目前对大多数矿井还难以推广应用。第四阶段，20世纪90年代以来，我国有些学者在厚煤层综放工作面进行了一沿空留巷研究，如潞安矿务局常村煤矿SZ-1综放工作面，巷内采用锚梁网索联合护，巷旁支护运用高水材料充填加上空间锚栓加固网技术，成功地进行综放大断面沿空留巷试验。下面将分别介绍巷内支护和巷旁充填的研究现状巷内支护形式研究现状目前国内沿空留巷巷内支护多采用金属支架或木棚支护，也有少数矿井尝试用锚杆作为沿空留巷巷内支护。表1-2是我国采用沿空留巷技术几个主要矿区巷内支护情况，基本反映了目前国沿空留巷巷内支护所采用的形式。根据现场观测的资料看，沿空留巷巷内支护采金属支架或木棚支护，随着沿空留巷技术在中厚及厚煤层中的应用，采高不断增大留巷断面不断扩大，在巷道围岩变形量增加、巷道维护越来越困难的条件下，原来用的金属支架型钢重量不断增加，棚距日益减小，留巷支护费用和维护费用显著增加且施工、运输更加困难和复杂，同时由于金属支架属于被动支护，即使加大了重量、减小了棚距仍难以维护条件困难的留巷。据资料7，开滦矿务局使用的U型钢可缩性支架，二次采动，支架轻微变形的占使用架数的25%，严重变形的占17%，破坏变的占8%；二次采动，轻微变形的占26.3%，严重变形的占21.7%，破坏变形的占12.8%，严重变形的占50%可复用，破坏变形的局部可复用。据林西矿资料8，全矿在用拱型可缩性支架96204架，每年需补充投入新支架14000架，占在用量的14.5%，每年修复支架21000架，占在用量的22%，每年新补加修复合计占在用量的36.5%。产生这结果的原因:一方面由于金属支架属被动支护，不能紧密接顶，顶梁受力不均，弯曲过大；另一方面由于棚腿受煤体水平推力产生弯曲力矩，棚腿弯曲变形以至折断。这些缺陷都制约了金属支架在沿空留巷中的应用，也限制了沿空留巷技术的进一步展。沿空留巷要经历两次强烈的采动影响，大量理论研究和生产实践表明，如何提巷道围岩强度，并正确选择合适的支护方式是保证所留巷道在留巷后巷道稳定的键。分析沿空留巷的围岩应力变化，主要表现为回采引起的比原岩应力大得多的支承压力对巷道的影响。因此保证巷道稳定的关键在于对巷道两帮和顶板的控制效果。现场试验研究910，运用锚杆支护作为沿空留巷巷内基本支护，能取得较好技术经效果。沿空留巷是煤矿开采技术的一项重大改革。但是，作为沿空留巷的一个难点巷旁支护，在我国却一直没有得到很好地解决3。沿空留巷技术的成功应是巷内支护与旁支护联合作用的结果，其中巷旁支护是沿空留巷支护技术的关键，沿空留巷技术败的关键是巷旁支护能否适应沿空巷道的顶板运动规律，有效地控制顶板岩层。表1-2我国沿空留巷巷内支护情况目前巷旁支护研究发现，国内在应用沿空留巷时，绝大多数都要设置巷旁支护。目前，国内应用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、人造砌巷旁支护以及巷旁泵充填支护技术等。表1.3统计了我国不同围岩条件下沿空留巷旁支护所采用的支护形式。（1）木垛巷旁支护我国过去木垛巷旁支护应用较广，其形式一般是单排木垛。木垛作为巷旁支护优点:支撑面积大，稳定性好，用以挡矸比较有效，架设比较灵活、方便，劳动量较小后期支承能力大。其缺点是:木材消耗量大，随采高加大此缺点更为突出；木垛属于支承支架，承载过程中载荷增长速度很慢，且早期支承能力太低，因而不能起到早减少顶板下沉的作用；木垛可缩量大，通常可以压缩到只有原始高度的40%-50%，而不能起到切断采空区顶板的作用；木垛属于宽幅巷旁支护类型，它使巷道控顶宽加大，从而增加了巷内支架的载荷。国外，在应用沿空留巷时曾采用双排木垛作为旁支护，但效果并不理想。表1-3工作面围岩分类及相应得巷旁支护形式一览表（2）密集支柱巷旁支护所谓密集支柱作为巷旁支护是指随工作面推过之后，在采空区边缘新架设的密支柱，所用支柱有木支柱和金属支柱。密集支柱属于中强度、有限可缩量的窄幅巷支护类型。密集支柱比木垛省材，早支撑性能好，可以进行切顶，架设方便，容易过改变架设密度而调节其承载能力，对采高的适应性也较好，一般用于1.3-2.2m煤层中，但也可用于2.5m甚至更厚的煤层中。但密集支柱当顶板或底板较软时，集支柱易于插入顶板进行卸载，因而失去支撑和切顶作用；稳定性较差，在受到采区冒落矸石的冲击时容易倾倒；密集支柱的工作性能通常受架设质量的影响，尤其采高较大时，不仅不易架设，而且也不稳定。目前国内外的经验都认为，对于薄及厚煤层以及围岩中等稳定以上的条件，密集支柱是比较经济而有效的巷旁支护类型之一。（3）矸石带巷旁支护用矸石带作为巷旁支护是煤矿多年来一直采用的。矸石带属于宽幅大可缩量、支承巷旁支护类型。井下观测表明，由于矸石带垒砌不易致密，故它在初期一般不承载，在工作面后方约20m以远阻力才逐渐上升。矸石带的压缩量可达原始高度40%-60%，虽然压实后支承能力可以提高，但这时顶板已大量下沉并失去稳定性，且矸石带较宽，又增加了顶板的悬伸宽度，对于脆性顶板，可能造成顶板煤壁断裂并造成巷内支架上载荷增加。所以从力学特性来看，它不是理想的巷旁支护类型。然而，岩石带巷旁支护方式的最大的优点是它利用了本来是废料的天然矸石作支护料，从而可以节约大量的其它支护材料和相应的费用，在经济上是有效的巷旁支护式。其护巷效果据我国经验13，对于顶板较稳定的巷道，只要能随工作面推进及时砌带，并保证砌筑质量，则沿空留下的巷道后期仍可起到较好的护巷效果。此外，对薄煤层来说，矸石带占用的劳动力也不多，由于采高小，采动后顶板总下沉量也不大而且矸石带高度小，故矸石带总的压缩量也不是很大，因此，在我国一些薄煤层矿矸石带的应用仍然不少。（4）人造砌块巷旁支护人造砌块作为巷旁支护，是为了节约木材、克服木垛可缩量大和承载晚等缺点发展起来的。这种巷旁支护形式在国外有相当的发展，国内也有一定的应用。这种支护形式的优点是材料来源广，价格低廉，可节约木材和金属支护材料，承载能力较而可缩量不大(表1.4)；构件的刚性大，承载快，压缩2%就达到最大载荷。砌块的种类按其材料不同，有料石砌块、矸石水泥混凝土预制块、水泥与炉渣和锯末配制的质砌块或高炉熔渣铸块等。人工砌块巷旁支护的缺点是受载超过抗压时砌垛(带)呈脆性破坏，一旦发生破坏承载能力迅速下降；此外砌垛(带)的稳定性较差，不宜用于高大的煤层。中国矿业大学研制的水泥、炉渣、据末“三合一”砌块在阳泉及平顶山矿务局薄及中厚煤层中进行试验14，使用效果良好。表1-4部分人工砌块巷旁支护带井下工作基本特征（5）巷旁泵充填支护技术巷旁泵充填支护技术是近年来发展起来的一种新型巷旁支护技术，包括硬石膏力输送充填技术和高水材料泵充填技术。德国的硬石膏充填材料主要由硬石膏和普通硅酸盐水泥组成。80年代，我国开滦矿务局曾进行过这种工业性试验，尽管技术上行，但由于该技术充填料输送量大，管道磨损严重，成本高、粉尘大，因此，在我没有推广应用.高水材料泵充填技术首先在英国研制成功。我国于1990年3月购置英国的充填设备和材料，在平顶山一矿进行了工业性试验，护巷效果良好，但进口种材料和设备价格昂贵.中国矿业大学经过多年研究，研制出高水速凝充填材料及高灰渣充填材料，分别在鹤壁、开滦、淮北和徐州矿务局等局、矿试验，取得了良好技术效果。高水材料是一种新型的特种水泥混合材料，特别适合于高水灰比下应用，具有用量大(水体积比可达90%以上)、固体料用量少、凝固体韧性好等特点是一种理想煤矿井下巷旁充填材料。研究1516认为高水材料充填带具有较好的性能和护巷效果有利于节约木材和金属支护材料，由于巷旁支护基本上实现了机械化作业，可大大轻工人体力劳动，提高工作的安全性。此外，由于充填带从煤层底板到顶板是一个体，两侧又有支架及隔离支柱保护，可用于开采高达3m左右的煤层，从而为扩大空留巷在大采高煤层中的应用创造有利条件。但目前由于该材料价格相对比较高，加之充填时必需使用抗静电、阻燃、增强塑料充填袋，费用较高，这样就制了该材料在煤矿中大批量的进行巷旁充填应用。表1-5高水材料巷旁充填沿空留巷护巷成本一览表ZKD高水灰渣充填材料是在高水材料的基础上，利用灰渣具有活性的特点对高水材料进行改性而形成的一种充填材料。利用该材料进行巷旁充填，可以大量减少高水材料的使用量同时，用活动钢模板取代充填袋，可使巷旁充填费用降低。在徐州东井721工作面17、山东翟镇矿1201西工作面18采用高水灰渣材料进行沿空留巷巷支护充填试验，取得了成功。然而，不管是采用高水速凝充填材料，还是采用高水灰渣充填材料进行巷旁充填都需要建立一套较为复杂的充填材料加工、运输和泵运充填系统，并装备相应的一套设备，这显然会增加生产成本，故目前对大多数矿井还难以推广应用。而且受充材料本身及工艺性能的影响，充填体接顶质量不好，对顶板影响较大。1.2.2国外研究现状国外应用长壁开采系统的国家推行无煤柱护巷较早，应用相当普遍。据统计21993年俄罗斯无煤柱开采产量就占80%，在各种无煤柱护巷中，应用最广的是沿空巷，占65%；在英国、德国、波兰等国家，推行无煤柱护巷是以沿空留巷为主。所以扩大沿空留巷的使用范围和增加其应用比重是长壁开采系统国家的共同趋势。煤巷支护主要有锚杆支护和U型钢可缩支架两种方式，但在深井复合顶板松软层条件下，仍以U型钢支护为主，17在掘进期间通常有500800mm的围岩收敛变形在超前回采期间附加8001000mm采动变形，累计达到15002000mm以上，仅能强满足U型通风方式的巷道布置系统，巷道在临近工作面端头时，U型钢严重变形基本丧失承载能力，根本不具备留巷条件。德国以大断面重型U型钢支护和壁后充技术实现沿空留巷，吨煤成本达到1000元，煤炭在经济总量的比例小，依赖于政府补贴，而我国煤炭是主导能源，不可能采用高成本支护、耗费大量钢材来实现。国外沿空留巷理论研究和应用已有较长的历史，较有影响的理论是英国南威尔斯大学麦脱于1982年提出的岩梁倾斜理论21。该理论认为巷旁支护对巷道老顶起制作用，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法作为实际巷旁支护工作阻力和可缩量的依据。有学者运用Winkler弹性地基理论19，把沿空留巷上方顶板看作弹性薄板条，立了顶板的挠曲运动力学模型，提出用巷旁支护侧顶板的挠度计算巷旁支护阻力的法。认为留巷上方的顶板内存在两个应力集中区，其一是煤体上方的固定支承压力区峰值位置主要取决于顶板与弹性地基的相对刚度比，切顶前后应力峰值位置变化大，分布形式复杂；其二是巷道支护体上方的应力集中区，按抛物线形式分布，切前后应力峰值位置变化比较大，沿空留巷正是利用该集中应力且在足够底板强度切落顶板。有学者认为2223，巷旁支护应具有早期