沿空留巷技术研究专题报告

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。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) 不同顶板赋存条件下围岩应力演化过程研究较薄弱。以前对沿空留巷围岩应力演化规律研究较少，部分研究也是采用二维数值计算的研究手段，而沿空留巷是三维问题，二维模拟显然不能反映实际的应力演化规律，需采用三维数值计算、实验室实验、现场试验的综合研究手段才能反映巷道掘进、采动、稳定过程中围岩应力动态发展与演化规律。 (5) 适应留巷动压的合理支护形式问题仍没有得到完全解决。传统的棚式支护体系越来越不适应巷道支护和安全生产的需求，即使加大型钢重量、减小棚距仍难以维护所留巷道的稳定，很多复杂地质条件下煤层巷道在第一个工作面超前采动影响时即发生强烈变形、支架折损严重，不具备留巷的条件。德国采用大断面重型U型钢支护和壁后充填技术实现沿空留巷，吨煤成本超过 1000 元，基本依赖于政府补贴来维持煤炭生产，而我国煤炭是主导能源，不可能采用高成本支护。普通锚杆支护技术体系仅能满足掘巷阶段和本工作面超前回采阶段的需求，根本无法适应进一步的滞后采动影响，因此，针对沿空留巷的特点，研究适宜我国国情的煤巷支护技术已成为沿空留巷的迫切要求。 开采条件的复杂多样性要求进一步深入研究沿空留巷的相关规律，从不同的角度深化对留巷围岩活动规律的认识，论文将通过理论分析、数值计算、物理模拟及工业性试验等综合手段来系统的研究基于直接顶赋存特点的三种典型条件下沿空留巷顶板垮落规律、巷旁充填体支护阻力、围岩应力演化规律，形成科学的留巷控制思路和合理的留巷支护技术体系。3 沿空留巷顶板结构分析 沿空留巷是一类特殊的回采巷道，受强烈的上覆岩层活动全过程影响，特别是滞后采动压力影响时间长，附加采动应力集中系数大，围岩破坏范围大，巷道难以稳定。研究沿空留巷顶板活动规律必然要和采场覆岩破断规律相结合，采场基本顶侧向顶板运动规律决定着沿空留巷围岩的活动规律。本章在分析采场基本顶侧向结构的基础上，对侧向顶板结构中关键块体的稳定性进行了分析，揭示了采场侧向顶板结构运动对沿空留巷的影响，并对影响留巷支护结构稳定的关键因素进行了分析。由于不同条件沿空留巷矿压规律的显现特征各异，因此，本章在对典型留巷顶板赋存条件分析归类的基础上，对不同顶板条件下沿空留巷充填体支护阻力进行了分析计算。3.1采场基本顶侧向结构分析3.1.1采场侧向顶板结构的基本特征 采场上覆岩层的活动、特别是侧向顶板岩层的破断是引发沿空留巷巷道压力强烈和变形剧烈的主要原因，研究留巷首先应该对侧向顶板结构运动与破断规律有所认识。在研究沿空留巷侧向顶板结构稳定性时，应用关键层理论的基本原理和方法是适宜的，对沿空留巷影响最大的关键层主要是基本顶，因此，我们仅研究基本顶断裂、运动、稳定对沿空留巷支护围岩结构稳定性的影响。由于工作面的回采，采空区上覆岩层垮落，基本顶初次来压形成“O-X”破断，周期来压即基本顶周期破断后的岩块沿工作面走向方向形成砌体梁结构，在工作面端头破断形成弧形三角块。沿空留巷时，基本顶破断形态如图 3.1.1 所示。图 3.1.1 沿空留巷基本顶破断的基本形态 取垂直于工作面推进方向的剖面，工作面回采后采空侧上覆岩体的断裂如图 2-2所示。工作面推过后，随着煤层的采出，直接顶岩层随之发生不规则或规则的垮落下沉，最终与其上位的基本顶岩层发生离层。基本顶岩层在直接顶垮落后，发生断裂、回转或弯曲下沉，直至在采空侧形成如图3.1.2 中所示的岩体A、块体B、块体C 组成的铰接结构。该结构的稳定性与采空区充满程度及基本顶岩层的断裂参数密切相关。上覆岩体垮落稳定后，沿空留巷位于块体B的边缘或下方，由此可见，块体B对于沿空留巷上覆岩体结构的稳定非常重要。图 3.1.2 沿空留巷侧向顶板破断规律3.1.2采场侧向顶板结构稳定性分析3.1.2.1顶板结构中关键块体的确定 沿空留巷上覆岩体结构的形成与直接顶、基本顶二者的性质、厚度以及采高相关，结构中关键块体B主要包括三个基本尺寸：基本顶岩层在侧向的断裂跨度 l、块体沿工作面推进方向的长度L和块体的厚度h，以及块体的断裂位置，关键块体B的基本尺寸通过基本顶岩层在周期来压时的断裂模式和周期来压步距确定。 （1）L 的确定 关键块体B沿工作面推进方向的长度L即为基本顶周期来压时的步距，其值可以通过现场观测或理论计算获得。 （2）l的确定 关键块体B在侧向的断裂跨度l是指随着煤层的采出，基本顶岩层断裂后在采场侧向形成的悬跨度，根据板的屈服线分析法，认为板的断裂跨度l与工作面长度S和基本顶的周期来压步距L相关，l的长度可用下式进行计算： 根据研究，当S/L6时，周期来压时的侧向跨度与周期来压步距基本相等。基本顶周期来压步距一般为1020 m左右，工作面的长度S一般为120250 m，即S/L约为612。故一般可以认为，长壁开采基本顶的侧向断裂跨度与基本顶周期来压步距近似相等，即 L=l。 （3）h的确定 关键块体B的厚度h即为基本顶岩层的厚度。（4）断裂位置 基本顶岩层的断裂位置在沿空留巷上覆岩体结构稳定性的研究中，是一个很重要的参数，它对煤体中的垂直应力分布规律、沿空留巷的合理位置确定及巷道外部力学环境的演化均有很大的影响。影响基本顶岩层断裂位置的因素很多，主要有采深、原岩应力状态、煤层厚度及性质、直接顶厚度及性质、基本顶岩层厚度及性质、采高等。通过计算机数值模拟研究了基本顶在侧向煤壁内的断裂位置及影响因素，认为对基本顶断裂位置影响大的顺序依次为：直接顶厚度直接顶的力学性质基本顶的厚度煤层的力学性质。其中前两个因素对断裂位置的影响远大于后两个因素的影响。3.1.2.2侧向顶板结构稳定性分析 沿空留巷在本工作面回采时，侧向顶板结构将产生破断、失稳，其过程可归结为： 1) 老顶岩层破断后，块体B将在回转力矩的作用下向本工作面回转下沉，进而破坏了工作面前方顶板结构原有的平衡状态，侧向顶板结构中的块体C和关键块体B处于运动和不稳定状态，从而引发块体B的一定下沉，在工作面后方形成较高的支承压力。如图3.1.2所示。2) 上覆岩体结构在较高支承压力的作用下，块体B将有一定的回转下沉。侧向顶板结构的这种运动和不稳定状态将造成沿空留巷围岩应力的再次重新分布和集中，其影响程度远大于工作面前方围岩应力的重新分布和集中。 3）采场侧向结构造成的强烈支承压力集中现象，导致相对软弱的留巷支护围岩结构发生大范围变形破坏，同时这种附加采动支承压力的不均匀性使得巷道顶板、底板、实体煤帮及充填体在变形方式和变形量上存在较大的差异。 4) 上覆岩体侧向顶板结构从破断时起，直到工作面后方围岩活动趋于稳定，由于各块体间的支承条件并没有改变，故仍会保持随机的平衡状态，不同的是块体间的受力情况发生了一定的变化。因此，在本工作面推过后，侧向顶板结构的稳定性不会受到根本的改变，因而只要巷道支护合理，巷道锚杆支护与围岩形成的支护围岩结构保持稳定，巷道就不会受到破坏，侧向顶板结构的稳定平衡状态只有在下一工作面推过后才会被打破，进而发生失稳，造成巷道的彻底破坏。 理论研究表明，侧向顶板结构即关键块体B的结构具有自稳性能。在垂直方向，关键块体受到充填体和冒落矸石的支撑力之和，大于关键块体与上覆软弱岩层的重量、前后两块体C对块体B的剪切力之和，块体B不需要块体A对其向上的作用力即能保持平衡，计算结果表明关键块体不会发生滑落失稳。关键块体B与块体A、块体C之间的水平推力较小，块体B不会发生转动失稳。显然此时关键块体B是稳定的，因此沿空留巷侧向顶板结构在工作面回采结束，上覆岩体垮落稳定后是自稳的。3.2沿空留巷支护结构分析3.2.1沿空留巷支护结构的概念及特征 沿空留巷的稳定不仅取决于巷道外部的力学环境，还与巷道支护结构的适应性相关。采用锚杆为基础的留巷支护技术体系主要是通过在巷道围岩中布置锚杆，使锚杆索、辅助构件及其锚固范围内的围岩形成一个整体承载结构，通过该结构良好的承载性能和对其外部围岩变形的适应性，充分发挥较深部围岩的自承能力，从而保证巷道的稳定性。相对于沿空留巷上覆岩体的结构而言，这个由巷旁充填墙体、巷道周围锚杆组合支护与围岩形成的承载结构称为留巷支护结构。留巷支护结构由巷道顶板锚固结构、底板无锚岩体结构、实体煤帮锚固结构和充填墙体组成。大量的工程实践表明，留巷支护结构的变形和破坏存在明显的非均衡现象，在留巷支护结构的破坏过程中，相对薄弱的部分将对留巷支护结构的稳定起到关键作用。在沿空留巷条件下，由于留巷支护结构中各部分受工作面采动影响时变形破坏的程度不同、锚杆加固效果存在差异、应力环境各不相同。留巷支护结构的稳定性取决于各组成结构的稳定性及各结构间的相互影响关系。当巷道底板较软弱时，底鼓严重，进而会造成巷道两帮的大变形；当煤体较软弱时，帮部的大变形将导致巷道空间不足、顶板严重下沉，同时由于底板集中应力分布的不均衡性，软弱底板的鼓起也是不对称的。留巷围岩稳定性与采场侧向顶板结构的位态有很大关系，采场侧向顶板结构稳定时，传递到留巷支护结构的应力是一定的，留巷结构容易保持稳定；采场侧向顶板回转或下沉时，将造成留巷支护结构的强烈动压影响和大变形，留巷支护结构不易稳定。留巷支护结构客观上受采场侧向岩体赋存条件、结构特征及二次应力分布等因素制约，具有显著的不均衡性。支护结构需适应强烈的采动影响，防止留巷支护结构失效是留巷围岩控制的根本，这就需要支护结构具有双重性。一方面，留巷支护结构要有较大的承载能力，对其外部围岩可以起到“支”的作用。留巷支护结构由锚杆及其锚固范围内的围岩组成，由于锚杆对围岩的强度强化作用，相当于提高了巷道周围锚固区的整体强度，因此，围岩结构的承载能力得到了较大的提升。另一方面，留巷支护结构对围岩应力要有良好的适应性，可以起到“让”的作用。在锚杆支护实践中，巷道发生大变形而不破坏的例子很多，其根本的原因在于锚杆及其锚固范围内的围岩向巷道。 内移近而不破坏，使巷道围岩应力重新分布，将支护体上的压力向其外部围岩转移，避免支护体的破坏，起到一定“让”的作用。3.2.2沿空留巷支护结构稳定性的关键因素分析 由于层状围岩赋存的不均匀性，留巷支护结构的变形与破坏也呈现非均匀的特点，并可能因某一部分发生显著变形破坏而导致留巷支护结构整体失稳。根据沿空留巷的特点和对采场侧向顶板结构的分析，认为影响留巷结构稳定的关键因素主要有以下几点： 1) 留巷顶板的承载性能留巷顶板包括三部分，即巷内顶板、充填区域顶板和实体煤顶板，每部分顶板均对留巷支护结构的稳定性有重要影响。超前采动影响时，顶板基本能保持完整。滞后采动应力远大于超前采动应力，滞后采动应力作用于实体煤顶板，导致顶板明显下沉，实体煤帮在强烈的垂直应力作用下发生大范围松散破坏，从而加剧了留巷顶板的下沉。部分顶板甚至在此强烈动压作用下失稳垮冒。因此，通过合理的支护方式，保持留巷顶板的完整性是首要之所在。充填区域顶板的承载性能也很重要。如果顶板比较破碎，漏冒严重，充填体不能将支撑阻力传递给直接顶，导致老顶回转下沉量加大，因而造成巷道顶板和巷道煤帮严重破坏，则沿空留巷难以成功。 2) 充填体的承载性能充填体作为支护结构的一个重要组成部分，是巷道围岩稳定性的关键之一。充填体承载性能应与煤体、顶底板承载能力相协调。若充填体强度不足，则易在强烈的滞后采动应力作用下发生变形破坏，从而使巷道顶板的承载作用降低，进而导致顶板向充填体侧采空区下沉破坏，造成留巷支护结构破坏。若充填体强度、刚度较大，则巷道顶板可能沿充填体内侧切顶，同样造成顶板下沉严重，围岩结构失稳。充填体刚度非常高时，充填体将上覆岩层垂直应力全部转移到巷道底板，从而将导致严重底鼓。因此，合理的充填体强度和宽度应与留巷支护结构其他部分相协调。合理的充填体尺寸和强度，将有助于关键块体尽快稳定，并能适应其回转下沉。合理的充填体尺寸和强度使其与巷道的实体煤帮共同承载，改善留巷支护结构的应力状况，保证留巷结构的稳定。 3)实体煤帮的承载能力在沿空留巷巷道两帮中，实体煤帮的变形破坏程度明显大于充填墙体，而且对实体煤帮最为不利的是，因工作面采动而产生的垂直应力明显地向巷道实体煤帮深部和充填墙体上集中，巷道顶板所承受的载荷并不大，实体煤帮和充填墙体是主要的承载结构，且以实体煤帮最为明显。当实体煤帮产生过大变形时，将会造成顶板的倾斜下沉和底板的严重鼓起。因此，重视实体煤帮的承载问题，将对留巷结构的稳定起到很大的作用。虽然实体煤帮完整性较好，但其应力集中程度是最大的，在掘巷稳定期间，煤帮的变形主要由浅部围岩的变形破坏引起；采动应力调整期间，帮部煤体垂直应力的集中系数较大，导致深部围岩也发生大范围变形移近。工程实践也发现，实体煤帮的破坏随着垂直应力的增加而不断向深部煤体中扩展，常常因过大的垂直应力向巷道内强烈内移而导致变形失稳。因此，重视实体煤帮的支护问题，将对沿空留巷围岩的稳定起到很大的作用。通过合理的锚杆布置加固巷道帮角，既可以强化帮角的围岩强度，又可以减弱帮角的应力集中程度，使帮角的应力集中向围岩较深部转移。 4) 底板的无约束处理 沿空留巷的底板一般为强度较低的软弱岩体，巷道掘进期间，巷道的围岩应力相对较低，底板一般能保持稳定。采动影响时期，上覆岩体将引起巷道围岩应力的上升，增大的垂直应力作用在实体煤帮、充填体上，并传递到底板岩层中。而底板通常处于自由约束状态，底板岩层极易发生鼓起，并导致浅部围岩中的应力卸载并向着较深部围岩转移。沿空留巷的围岩变形实测结果表明，在巷道顶底板的相对移近量中，底板的鼓起是十分明显的，约占到顶底板移近量的 6070左右，造成这一现象的主要原因是围岩应力在巷道帮角的集中程度较高。如果底鼓量过大，两帮必将因下沉量过大而引起破坏，造成巷道围岩失稳。 因此，控制底板的严重鼓起是保持留巷结构稳定的又一重要问题。目前为止，对沿空留巷底鼓控制的技术难题还没有得到很好的解决，需进一步深化研究，推动沿空留巷底鼓控制技术的进步。3.3 沿空留巷典型条件顶板结构实例分析 沿空留巷是将已采工作面后方的回采巷道用一定的方法沿采空区保留下来，作为下一工作面的回采巷道，应用较多的是采用巷旁充填带的方式进行留巷。已有研究表明，顶板条件、煤层条件不同时，沿空留巷的矿压显现差异很大。在不同的顶板和开采煤层条件下，充填墙体的构筑及承受的载荷也有相当大的差异，因而只有在顶板分类的基础上研究充填体巷旁支护阻力才能反映问题的实质。3.3.1 淮南矿业集团顾桥煤矿1115（1）工作面 顾桥煤矿1115(1)工作面位于-780 m水平，北一采区，工作面标高-622-773.0 m，地面标高+23.1+24.03 m。周围及上下煤层均未开采。走向长2701.12718.7 m，平均2709.9 m，倾斜长229.4 m，面积621651.06 m2。工作面煤层赋存稳定，工作面钻孔揭露11-2煤层厚度2.53.61 m，平均厚度2.94 m，倾角310，平均5。煤层结构复杂，一般含 23 层炭质泥岩夹矸。根据首采工作面情况分析，受断层和滑动构造影响煤层厚度变化较大。11-2煤直接顶为复合顶板，由砂质泥岩、泥岩和 11-3煤层组成，其中薄煤层不稳定。部分地段老顶砂岩直接覆盖在煤层之上。煤岩层综合柱状图如图 3.1.1所示。图3.1.1 顾桥煤矿1115(1)工作面钻孔柱状图顾桥煤矿1115(1)工作面回风平巷直接顶为两种赋存状况，一种情况下直接顶由砂质泥岩、泥岩和11-3煤层组成，另一种为砂岩直覆顶板。巷道表面位移观测结果表明，顶板赋存条件不同，留巷矿压显现规律区别较大。工作面前方，复合顶时顶底板移近以顶板下沉为主，单一顶时顶底板移近以底鼓为主，且复合顶时矿压显现更为强烈。工作面后方，复合顶与单一顶相比，复合顶顶板下沉量、底鼓量分别为单一顶的1.5倍和1.3 倍，而复合顶时充填侧变形量、非回采侧变形仅是单一顶时的70%和80%。3.3.2 皖北煤电集团卧龙湖煤矿103工作面 103 工作面为卧龙湖煤矿首采工作面，工作面机巷标高为-530-402 m，风巷标高为-515-397 m。可采煤层为10煤，煤层结构较简单，无夹矸，煤层倾角平均9，工作面煤厚0.33.05 m，平均2.52 m。工作面西北部和切眼附近，位于岩浆岩侵蚀边界附近，受岩浆岩侵蚀影响，部分煤层已变质为天然焦。机巷位于岩浆岩侵蚀边界附近，受岩浆岩侵蚀影响，局部煤层可能出现增厚或变薄现象。风巷里段被岩浆岩侵蚀，此时顶板为厚层岩浆岩，受其影响，煤层变薄，煤厚0.51.5 m，现已揭露25 m煤层变薄带，根据三维地震资料，风巷里段异常区范围约120 m左右。煤层赋存柱状图如图3.2.1所示。图3.2.1 卧龙湖煤矿103工作面煤层赋存柱状图 老顶：以灰色粉砂岩、泥岩为主，水平缓波状层理，钙质胶致密，局部含菱铁结核。厚度3.718.72 m。 直接顶：泥岩，灰黑色黑色，均一结构，块状构造，易碎，含炭质及植物碎片化石，参差状断口，厚度4.0421.83 m，平均厚13.47 m。岩浆岩侵蚀区直接顶顶板局部为岩浆岩。岩浆岩，灰白色，粗砂状，块状结构，厚层状，质硬，厚度约24 m。 底板：深灰色泥岩、粉砂岩，块状构造，含较多植物根部化石，具滑面。厚度1.513.07 m。 卧龙湖煤矿103工作面风巷里段顶板为岩浆岩侵入，巷道顶板为厚层岩浆岩直覆；机巷直接顶为平均厚度达13.47 m的泥岩。由留巷矿压观测结果可知，顶板赋存条件对沿空留巷矿压显现影响很大。巷道表面位移观测结果表明，超前采动阶段，泥岩顶巷道矿压显现较岩浆岩直覆巷道更为强烈；工作面后方，岩浆岩直覆时巷道围岩矿压显现更为强烈，岩浆岩直覆时充填体侧变形量、顶板下沉量分别为200 mm、210 mm，而泥岩顶巷道充填体侧变形只有140 mm、170 mm。3.3.3 沿空留巷顶板结构实例分析 顶板条件对留巷矿压显现、充填体支护阻力等均有重要影响，因此，在研究充填体支护阻力、顶板垮落特征之前，首先需对顶板条件进行分类。本文根据直接顶厚度和采高的比值将工程实践中接触到的几种典型顶板条件分为 3 种类型，分别为厚层直接顶、薄层直接顶、无直接顶。 厚层直接顶：当直接顶厚度较大，且直接顶岩性基本为 13 类顶板易垮落的岩层，回柱或移架后顶板能及时垮落，充满采空区。顶板垮落后冒落矸石随远离工作面被逐渐压实，使上部未冒落岩石在不同程度上重新得到支撑，这种顶板条件称为厚层直接顶。 薄层直接顶：直接顶厚度大于采高的0.3倍但小于采高的35倍，垮落后不能充满采空区，当采空区冒落矸石不能完全充满采空区时，上覆岩层大部分呈悬空状态，采空区上覆未垮落岩层的重量将通过梁或板的形式传递到采空区周围煤体、煤柱或充填体上。这种顶板条件称为薄层直接顶。无直接顶：此种条件下直接顶过薄或无直接顶，基本顶不能随移架而垮落，即在坚硬顶板条件下，基本顶呈悬臂梁结构，破断时将形成强烈的来压显现。根据以上标准对顾桥煤矿 1115(1)工作面回风平巷、卧龙湖煤矿103工作面顶板赋存状态进行判定。1115(1)工作面回风平巷直接顶为两种赋存状况，一种直接顶由砂质泥岩、泥岩和 11-3煤层组成，直接顶厚度为3.97 m，由于垮落带高度为采高的35倍，显然此种条件下直接顶垮落后不能充满采空区，可以判定，顶板赋存特征为薄层直接顶；另一种为砂岩直覆顶板，根据顶板赋存结构可以判定，此种条件顶板赋存特征为无直接顶。 卧龙湖煤矿103工作面风巷里段顶板为岩浆岩侵入，巷道顶板为厚层岩浆岩直覆，根据顶板赋存结构可以判定，卧龙湖煤矿103工作面风巷里段顶板赋存特征为无直接顶；机巷直接顶为平均厚度达13.47 m的泥岩，由于垮落带高度为采高的35倍，垮落带高度为7.5612.6 m，因此卧龙湖煤矿103工作面机巷顶板垮落后能充满采空区，根据顶板赋存结构可以判定，顶板赋存特征为厚层直接顶。4 沿空留巷适用条件沿空留巷围岩稳定是在地应力和采动支承压力的共同作用下，巷道围岩结构（强度）与巷道支护体互相作用，最终达到力学平衡的结果。因此，沿空留巷围岩稳定性是由应力环境（地应力和采动支承压力、围岩结构、巷道支护体三者组成的一个力学系统的平衡状态决定的。深部矿井开采过程中，很多矿区进行了沿空留巷工程试验，既有成功的经验，也有失败的教训。大量的案例证明：在深部矿井开采中，并不是所有的矿井地质与采动条件都适合于沿空留巷，也就是说:沿空留巷技术的应用是有条件的。其中，1. 应力是由煤 埋藏深度和构造运动决定的；2. 采动支承压力是由覆岩结构 工作面采动参数决定的；3. 围岩结构是由煤 所 的 位 其沉积环境决定的；4. 而巷道支护体的形 和强度是由目前的技术水平决定的。沿空留巷成功的关键技术之一是留巷的稳定性，即在地应力和采动引起的动态支承压力的作用下，所留巷道的围岩（包括顶板、底板、一侧煤体和一侧巷旁充填体）基本保持稳定，总体变形量有限且在允许的范围内，巷道形状和断面积满足工作面通风、运输和行人的基本要求。因此，对沿空留巷的围岩稳定性进行分类；确定适宜进行沿空留巷的 质条件；研究 种（几种）适应沿空留巷覆岩运动特点的留巷工 ；是保证在全 范围内推广沿空留巷成功的必要途径。沿空留巷围岩结构的重要特点是：（1）巷道顶板、 板和 侧煤体经历了本工作面采动形成的动态支承压力影 ，整体强度降低；（2）沿本工作面侧的巷帮为人工充填体。因此，应在研究不同 应力场和采动支承压力场动态耦合规律的基础上，分别对巷道顶板、 板、煤体和巷旁充填体的结构稳定性进行分析， 围岩变形量为控制指标，对沿空留巷的整体稳定性进行评价和分类。在深部矿井，由于地应力高，围岩强度呈现“高应力软岩”特征，区段平巷在第一个工作面超前支承压力的作用下往往会产生很大的变形甚至破坏。在第一个工作面后方侧向老顶岩梁回转下沉过程中，在老顶岩梁及直接顶岩层的共同作用下，沿空留巷承受的压力急剧增大，留巷变形剧烈，表现为底板鼓起和充填体被压坏等现象，不能满足下一个工作面回采时的通风、设备运输及行人的要求。因此，提出了“预留变形巷旁充填沿空留巷技术”。该技术的核心思想是： 据沿空留巷变形量预计结果，设计巷旁充填体的高度为巷道原 高度与预计的巷旁充填体的最大变形量之差；h:巷道高度；hr:风囊高度；hc: 充填高度采用柔性恒阻让压风囊安装在充填体上部，阻 采空区的瓦斯。风囊的高度等于充填体预留的高度。在老顶岩梁回转下沉过程中，风囊在保持 定阻力的情况下可 随着老顶岩梁 起压缩变形， 此保证巷旁充填体不被压坏。当柔性风囊压缩到接近不可压缩的程度时， 时回撤出来； 采用单体 压支护配合铰接顶梁加强支护并对直接顶进行（或人工爆破）切顶，对老顶进行让压 定变形；后期 据巷道围岩变形情况对巷道 板进行起（卧）扩修。4.1 沿空留巷变形分析.在煤体内开掘巷道后，破坏了原始应力状态，巷道围岩出现应力集中，在围岩塑性破坏发展过程中，巷道周边发生显著移近。随着掘进时间延长，围岩移近速度将逐渐降低。.掘巷引起的应力重新分布趋向稳定后，由于煤层一般具有流变性质，巷道围岩仍保持一定变形速度。.在上区段工作面超前支承压力作用下，围岩塑性区进一步扩大，围岩变形增长较快。.在工作面后方岩梁 裂前弯曲下沉 岩梁 裂后显 运动过程中，基本顶岩梁运动迫使巷道顶板 速下沉，将造成很大的下沉量。.在基本顶触矸后，随着采空区矸石压实，巷道围岩移近速度逐渐趋于稳定。.回采引起的顶板活动和应力分布趋向稳定后，巷道围岩保持一定的流变速度。.受下区段工作面回采影响时，由于支承压力叠加使煤柱塑性区显著增大，引起巷道围岩变形。留巷在整个服务期间的围岩变形量为：u=u0+u1+u3+u4+u5，mm4.2 巷旁充填体变形量预计沿空留巷的围岩变形 要是由岩梁弯曲沉降和显 运动引起的，正确预计这部分变形量即可对留巷的全部变形量作出大概预计。由于沿空留巷巷道要经历覆岩运动发展到稳定的全过程，巷旁充填体不可能对基本顶岩梁的运动加 制，只能 制直接顶运动，因而巷道顶板下沉量由基本顶运动的位态决定 。通过实 确定基本顶岩梁运动特征参数，特别是端部裂 位置和采空区 矸位置，即可对留巷的 要变形量作出预计。 得 如 （为岩石碎胀系数），则上式为岩梁弯曲下沉和显著作运动过程中的巷道变形量，即： 式中：C充填带中线与岩梁端部裂断线间的水平距离，m L岩梁悬跨度（端部裂断线到触矸点间的水平距离），m mz直接顶厚度，m KA岩石碎胀系数，1.301.35 Kc 矸石压实后的残余碎胀系数，1.001.05同理，压实矸石过程中的巷道变形u3为： 受顶板活动影 造成的总变形量U23： 4.3 采空区充填支护技术4.3.1巷旁充填技术 巷旁充填材料包括高水材料、石膏、采空区矸石、高性能混凝土、高压砖、预制砼块。本文主要介绍高水材料、采空区矸石和高性能混凝土。4.3.1.1高水材料充填高水材料用于采空区充填有着工艺简单、凝结速度快、性能稳定等优点。为减小开采引起的地表建、构筑物的变形，采矿工程的采空区一般需要支护或充填，传统的充填材料主要有两类：一是以硅酸盐水泥掺加水玻璃等的充填料，但该类材料的使用寿命短(通常仅可用23 a)，且存在作业固化时间长，材料浪费等缺点；二是以高分子为主的充填材料，近年来，科研人员已研制出高水速凝固材料(简称高水材料)，它是一种价格低廉，使用方便，并具有一定力学性能的可泵性支护材料，高水材料可替代木材、钢材使用，充填工艺简单，凝结速度快，可减少固化剂的用量。高水材料填充技术作为一种新方法，已在某些矿区开展了试验性研究。与传统的充填材料比较，该材料具有以下优点：a. 浆材颗粒细，渗透性能好；b. 主、配料单独加水搅拌而成的浆液24 h 不凝结，相同水灰比的主、配料浆1：1 混合使用，混合浆液凝结时间十几秒至几小时随意可调；c. 混合浆液凝结时基本不析水，结石强度高，抗渗性好，微膨胀，不龟裂及凝结后受扰动甚至破坏后具有再结胶性能；d. 价格低，又特别适合高水灰比情况下使用，所以成本较低。高水速凝固化充填材料是由中国矿业大学北京研究生部研制成功并获国家专利的一种新型胶凝材料, 它由甲乙两种粉末状材料组成。其中甲料的主要成分是硫酸铝盐水泥熟料和石灰, 乙料为硬石膏和石灰石, 使用时甲乙料按配制。该材料可用于采空区填漏、井下防灭火、锚喷支护、道路抢修等。近几年在冶金矿山充填采矿中逐渐得到推广应用。高水速凝固化充填材料与水泥等胶结材料相比, 其主要特点是调配的浆液在很大的水固比条件下（体积含水率达85%95%）， 可以实现530min的快速凝固、硬化, 最终形成一种强度达25MPa的固态结晶体。加人充填骨料后, 注人充填体, 可以形成人工承重石。所形成的固化体具有较高的长时强度, 在含水、潮湿环境下能够保持其性能的稳定, 不会发生逆变。可在068%的浓度范围内, 根据需要任意调节充填骨料浓度, 一般不大于73%。高水材料含量一般在6%10%范围内调节, 高水材料含量越多, 充填体强度越高, 反之则越低。 在加人尾矿、废石、河砂等充填骨料条件下, 甲乙两种材料的浆液在混合前可保持24h不凝固、不结底、不堵管。充填料浆悬浮性能强, 可泵性能较好。通过泵送或自流到采场的充填浆液, 不需脱水, 在530min开始初凝, 凝结速度快。材料充填后, 充填体不干缩, 具有微膨胀性, 能够实现完全接顶。利用高水材料进行胶结充填采矿, 在一定意义上实现了胶结充填采矿法的变革。利用这种材料形成的充填体, 具有明显的优点一是其强度较高。特别是充填后胶凝早, 发展速度快, 能够快速承受采矿后上覆顶板的压力。二是其稳定性好, 长时间强度不衰减, 不脱水。三是充填后具有微量膨胀特性, 有利于充填体的完全接顶, 减少顶板下沉量。四是充填在较高含水条件下进行, 无排水, 不需多余的排水设备, 工艺简单。五是充填材料的管路输送性能好, 管路磨损小。六是采充交替周期短, 有利于提高劳动组织和劳动生产率。七是材料无毒、无害、无污染。充填骨料的选择是确保充填质量好坏的关键, 其材料应具有抗压强度高, 可输送性好, 材料来源广, 价格低等特点。根据煤矿特点, 可选用采矿研石废渣或研石破碎后的碎片、河砂、电厂粉煤灰等作为充填骨料, 颗粒直径一般为0.0370.100mm.。4.3.1.2采空区矸石充填一种用于煤矿井下的矸石充填采空区的方法，在回采工作面外设矸石仓，将井下掘进矸石或地面矸石转运到矸石仓，用破碎机破碎，由回采面上巷运矸皮带机运至回采面上端。回采面用充填支架或有后探梁的支架支护。当支架为自移式时，在支架后探梁上吊挂小皮带机，并随支架前移。当支架为非自移式时，小皮带机设置在后探梁下的底板上，用移溜装置前移。在小皮带机上设置自移式卸矸小车，将小皮带机由回采面上端转运至采空区一侧的矸石卸至采空区。本发明除具有一般充填所共有的减少地表下沉，有效地处理矿井矸石，减少矸石山的占地面积和污染等优点外，还具有系统、设备、技术简单，投资少，成本低的特点。一、矸石充填意义：1. 煤矸石不升井，减少运输费用，减少地面占地和环境污染。2. 煤矸石充填采空区实现以矸换煤，可以减少地表下沉，使对土地和建筑物的破坏降到最低，减少赔偿费用。3. 煤矸石充填采空区，减少对顶底板破坏，从而减少顶底板水的涌出，降低回采工作面水患威胁、提高回采效率、提高煤质和降低排水费用。4. 煤矸石充填采空区，将采空区底板覆盖上密实的充填体，减少瓦斯涌出，保证回采快速、安全。5. 煤矸石充填采空区，将靠近留巷段的采空区充实，可以保证充填留巷效果，降低留巷费用。从而实现无煤柱开采，提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量，缓解采掘接续紧张。6. 更有利于分储分运效能的发挥，有利于单轨吊系统的运行和彻底消灭井下地轨。7. 成熟、高效的充填技术可为受水害威胁的后组煤开采打下坚实的基础。二、煤矸石充填方式的选择：（一）泵送膏体充填方式：1. 国外膏体充填：膏体充填技术在国外金属矿山已经有20多年的发展历史。世界上首次膏体充填试验是1979年在德国格伦德铅锌矿进行的。试验成功以后，膏体充填技术在澳大利亚、奥地利、加拿大、英国、摩洛哥、葡萄牙、俄罗斯、南非、美国等国家的金属矿山得到了推广应用。2. 国内膏体充填：（1）“八五”、“九五”期间，甘肃金川有色金属公司与北