21世纪无煤柱开采沿空留巷技术新进展(简1).doc

有了多年煤矿生产技术经历，今天才使我对煤炭资源的浪费感悟到内心触动。我倒没有惋惜那些因为设计缺陷导致的煤炭损失，也没有吝啬那些在厚煤层群中开采丢掉的丰富的煤柱资源。我真正痛心的是两个区段间随手丢掉了那么多的煤柱资源。我更痛心的是煤矿主宰者没有认识到专注于煤矿技术的我们现在已经在理论和实践上都已经能够解决大多数复杂情况的无煤柱采煤技术。两个区段之间的煤柱的回收犹如举手之劳。这个举手之劳的丰厚利润我们如果不要的话那就是我们科技工作者的“渎职”。强烈的使命感驱使我这个晚醒的煤矿科技专业工作者将自己的生活随时紧扣无煤柱开采技术。我很想埋怨生活在今天的中国经济飞速发展时期是造成煤矿资源浪费的主要原因。我们更应该呼唤良心：是否我们有必要为追求高产高效而不惜资源？是否因为自己不了解无煤柱发展现状而放弃技术进步。我们更应该清醒，在开发数千万年才形成的宝贵煤炭资源时候衡量一个领导者的政绩是否应该将高产作为唯一标准？实际上我最痛心的还是那些为追求高产高效努力工作去适应这个经济潮流而不惜以煤柱损失作为代价。我们是否能够以人类在地球的可持续生存作为最高境界。最好不要在今天主宰者身后的近几代人就开始指责我们。为什么要不顾一切追求高产而不能够科学开采实现高产高效呢？实际上，在煤炭生产中敢“闯红灯”而发明煤与瓦斯共采的袁亮院士在他的题目提出之初就得到99%的专家们的强烈反对。他成功了。袁亮说这个成功是他坚持科学开采的结果。无煤柱开采需要解决的科学技术问题是：v 是不是非要保留煤柱才能够实现安全开采？有时候无煤柱更安全v 高瓦斯突出煤层能否实施无煤柱开采？可以煤与瓦斯共采v 放顶煤能不能实施无煤柱开采？能！v 沿空留巷和沿空掘巷那个方案更合适？留！v 针对不同的采矿条件采用什么方式沿空留巷隔离墙方案更合理？v 沿空巷道怎样维护才能实现安全高效开采？我们在上世纪中期解决了曾经困扰我们数百年的顺槽支护问题，也由于顺槽的支护成功大大提高了采矿效率。如今我们已经冲破了无煤柱开采沿空留巷问题瓶颈。无煤柱开采必将进入一个急速发展的新时代。 惠兴田 2011目 录1.概述81.1.无煤柱开采意义81.2.无煤柱采矿经历91.3.惠兴田教授的支护成果102.无煤柱开采巷道技术方案122.1.沿空留巷方案122.2.沿空掘巷方案132.3.架后沿空隔墙留巷132.4.锚筋夹心混凝土沿空掘巷142.5.隔墙预支撑留巷152.6.架后沿空隔墙扩巷152.7.预支撑沿空隔离墙掘巷153.沿空巷道矿压及支护原理173.1.沿空留巷国内外研究现状173.2.沿空矿压特点193.3.沿空巷道矿压分析203.4.沿空巷道顶部矿压特征203.4.1.采场老空垮落规律203.4.2.顶板宏观表现213.4.3.顶部微观表现213.4.4.顶板力学表现223.4.5.材料力学特征233.5.沿空巷道支护原理233.6.沿空侧的相似模拟提示243.7.沿空留巷支护原理243.8.沿空隔离墙掘巷支护原理253.9.沿空留巷支护对策253.10.现有技术分析结果264.无煤柱顺槽巷道隔离技术现状274.1.沿空留巷施工技术分析274.1.1.密集支架形式基本不可取274.1.2.矸石堆垛方式应该淘汰284.1.3.砌体墙法存在缺陷284.1.4.高水高效充填支护法事倍功半294.1.5.现浇混凝土隔墙法性价比好294.2.现浇混凝土隔墙技术评价314.3.封闭注浆砌筑技术刚柔并举324.4.沿空留巷隔离墙复合模板支架324.5.沿空留巷隔离墙方案334.5.1.主要理论依据334.5.2.主要实践依据334.6.沿空掘巷施工技术344.6.1.窄煤柱掘巷处于围岩高应力区344.6.2.架后沿空隔墙扩巷344.6.3.锚筋夹心混凝土沿空掘巷345.封闭模铸砌体隔墙沿空留巷技术简介365.1.混凝土隔墙技术分析365.2.封闭注浆砌筑技术方案375.3.泵注混凝土技术分析385.4.现浇混凝土显著缺点385.4.1.材料制备复杂工艺带来很多麻烦385.4.2.装袋或是专用罐车运输到井下385.4.3.泵送混凝土施工要求高，不慎容易堵管对工作影响很大385.5.模铸砌体技术介绍385.5.1.封闭模铸砌体技术特点395.5.2.封闭模铸砌体沿空留巷隔墙优点405.6.注浆材料研究强渗透微膨胀415.7.内胎模试验425.8.注浆过程中浆体膨胀检测425.9.浆液饱满度检测435.10.浆液渗透密闭性检测435.11.墙体密封保障435.12.墙体接缝密闭性445.13.墙体接顶可靠性试验445.14.施工设备465.15.封闭模铸专利特征465.16.注浆砌体经济效果475.16.1.普通混凝土价格预算475.16.2.泵送混凝土成本475.16.3.注浆砌体成本471. 概述在过去的几个世纪里，尽管人们也尽力试验无煤柱开采，但还是因为那时候没有掌握足够的无煤柱开采理论和实践技术而无法作为一种有效的采煤手段。到了21世纪的今天，我们已经从理论和实践中总结了不断进步的有用的科学技术和理论方法，而且更重要的是从不断失败中汲取了经验教训。这才使得我们找到了针对各种复杂情况下的无煤柱开采的可行性。可以说是先辈们的前赴后继加上我们不懈的追求才真正解开了无煤柱开采的关键症结。如今，世界上已经成功的技术经济可行的无煤柱开采方法已经有了广泛的应用经验。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。1.1. 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理论和新技术的成熟为沿空留巷打下良好基础l 现实意义减少巷道掘进量缓解接续紧张；提高综合效益在这一点上往往没有引起让人们足够重视。生产过程中留巷与生产处于完全平行的作业状态，这可以最大限度发挥生产率。采用沿空留巷技术就可以使一个工作面的回采结束就必然形成一个顺槽。因此，准备一个工作面只需要掘进一条顺槽即可。这里面的矛盾在于沿空留巷是否一定确保成功，是否建设成本太高。一般情况下，采用封闭模铸砌体隔墙技术的建设成本为一个正常掘进巷道的费用。因此，这就很明显的表现出成果为：多回收煤柱+缓解接续=提高综合经济效益。l 战略意义开发煤炭资源；提高煤炭回收率；为后代负责。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。也能够落实国家有关煤炭开采法规相关规定，保证回采率。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。其他形式都是这两种形式的完善扩展。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，因而对于具有适合条件的矿井都应当优先采用。1.2. 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，先后采用往复式“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，特别是没有掌握矿山压力规律，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、因而没有广泛的市场。巷道维护困难的局面仍然没有彻底扭转。沿空留巷由于具有良好的社会和经济效益，我国在上世纪就不断有研究成果。那时候的研究主要是基于煤炭的国家计划性和后期煤炭经济的不景气。使得该项技术的研究始终处于一个怪圈。我们总是不想花费就想得到汇报。尤其是采用那些煤矸石或是木材支柱作为沿空侧支护没有足够的强度和密封性而使得沿空留巷技术背上劣名。实际上，近几年人们才开始逐渐认识煤体资源的重要性。对于这种数千万年形成的宝贝我们今天才开始提出“资源费，回采率”等概念。虽然我国现在还没有上升到一个高度。还没有强制的手段。但在国外，以欧洲为代表，基于资源的贫瘠，他们可以用比较高的代价研究实施无煤柱开采。主要的形式是以有机和无机材料混合的充填密封留巷。代价较大，但施工方便快捷。日本人为了节省资源，在自己国家实施无煤柱开采，不足部分靠大量进口煤炭。今天，为了挽救人类的荒谬。世界各国都在积极研究推行无煤柱开采技术。当前存在的主要问题是没有完全掌握采场推进过程中上覆岩层运动和支承压力发展变化的规律，特别是没有认识到充填体不可能完全承担支承压力高峰实施转移过程和采场上覆岩层（裂断拱内岩层）沉降过程中的强大压力。其结果往往是在充填宽度很大（3-5m），充填成本很高的情况下，出现严重的巷道底鼓（这是巷道底板岩层在两帮强大的支承压力作用下屈曲破坏的结果）；而当充填材料宽度小、强度不足时，巷旁充填体将在上覆岩层沉降压力作用下迅速破坏，失去支承能力，出现老塘透风，引发老塘火灾和瓦斯爆炸事故。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。我国无煤柱开采历史悠久，积累了一些经验。过去都是在条件比较好的个别煤层实施。大多数是以密集棚和混凝土砌块以及矸石带等廉价方式进行，虽然取得了一些成果，实际上都是个例成果，不足以能够推广。在近5年代研究中我们发现了沿空留巷的关键理论是围岩控制的“及时高强”。及时性是反应在控制顶板的时间效应上，不能让顶板有过量下沉。最大限度的控制顶板不使其产生离层性位移更好。这和以往的让压有着本质的差别。高强度是以往任何棚式支护根本无法达到的。要高强就意味着高成本。在过去的计划经济和煤炭不景气的年代是不可能投入资金去实现无煤柱开采的。也就是随着资源的紧缺和国家能源政策的深化，才有了钢筋混凝土隔墙在近5年的出现。这种以钢筋混凝土换煤炭的无煤柱开采方式当今才得到了一部分煤炭管理者的认可。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。以中国矿业大学冯光明教授为代表的采用高水充填技术实施无煤柱开采技术在过去的是今年内为如今其他技术的诞生打下坚实基础。后起的自密实混凝土技术具有廉价方便的优越性逐渐在沿空留巷隔离墙施工中占了上风。直到2010年由西安科技大学惠兴田教授发明了封闭模铸砌体混凝土技术隔离墙技术以后，使得沿空留巷隔离墙技术发展到了一个阶段高峰。由于这种封闭模铸砌体混凝土结构具有及时高强和密封特性就能够很好的适合采煤工作面高效回采和快速留巷。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。1.3. 惠兴田教授的支护成果表面看来锚网支护乃至沿空巷道支护技术已经成熟。但在这种成熟的背面能看到非同一般的问题就有了一定的局限。n 我们要求不但要看到成熟背后的问题；n 还要有对问题认识的深度；n 重要是要有恰当解决问题的方法；n 最为主要的是优化方案内含有先进性。西安科技大学惠兴田课题组从1989年以来一直专注于矿井掘进支护技术研究，先后解决了平顶山矿务局十矿、攀枝花矿务局太平矿，大宝鼎矿和花山矿、甘肃靖远矿务局大水头矿，魏家地矿，红会一矿和四矿、华亭煤业集团马蹄沟，新窑矿，新柏矿，净石沟矿、国投昔阳黄岩汇矿，白羊岭矿、阳泉煤业集团二矿，新景矿以及陕西省境内的5个相关煤业公司中多数煤矿进行了共60余例煤矿顺槽支护和掘进技术的研究。在几十年的专项研究中，课题组积累了比较丰富的现场经验并总结了一些核心理论。科研组专门从事煤矿顺槽掘进和锚杆技术。技术方向专一，研究层次深。截止2009年有7项技术专利和8种新产品。主要表现在：1996年在研究涨壳式锚杆的锚固力缺陷时发明了复锥可回收锚杆提出了一种新的解决了机械涨壳式锚杆有限膨胀量问题。1998年在研究特厚松软煤层的稳定问题时提出了自稳隐形拱理论体系第一次坚定地揭示煤层巷道顶板的稳定机理和巷道围岩的稳定区划，使锚杆长度设计简单化。1999年在研究巷道冒顶问题时发明非粘结快速自旋锚杆发现并揭露了树脂锚固剂的锚固实质，是锚杆支护的历史性变革。而后将自旋锚杆技术发展成为一个新的自旋锚管体系（STBS©）使得这种锚管能够实现多种用途锚杆的功能，这一技术在2009美国岩层控制国际会议上获得美国工程院士syd peng 的高度评价；2003年发明了快速安装预应力锚杆解决松软围岩锚固问题；2006年提出了一体化刚性锚固新理念分析了目前国内外综掘机的原理和大量应用的适应性条件，揭露了多年来掘锚不能实现一体的内在本质，提出了“机体-岩体-人体”的三位一体新理念。2008年申请了SUDM盾构式掘进机专利，为实现真正意义的综掘奠定了基础。2008年在西安地铁2#线北客站的流砂层基坑支护问题时发明的自钻锚索将钻眼锚索安装和注浆三道工序和三为一。2009年发明了双锚固快速预应力锚杆安装无需等待树脂凝固就可一次安装到位，而且有一定初锚力和预应力。功效提高30%。专用于煤矿顺槽。2009年临时支护锚杆钻机专利技术临时支护，钻眼一次完成。钻眼效率高出20%；这对掘进战线长期无法解决的临时支护问题是一个巨大贡献；自稳锚杆钻机锚杆钻机自带稳定结构，可以留一定矸石方便工作人员登矸作业，提高功效15%；2009年双联树脂药卷的发明使锚杆安装简化速度加快。在2009年后半年，为了解决锚网支护现存的结构和构件搭配的技术漏洞，提出了HT桁架锚杆体系，对整个顺槽锚网体系进了整合设计，发明了型强力钢带、双锚固锚杆、临时支护钻机、双联药卷为实现锚网巷道快速打下了基础；2010年在完成顺槽全寿命周期时候发明专利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。沿空留巷上的5个专利为无煤柱开采提供了先进的技术保障。为了实现沿空留巷的机械化问题。2011年发明的自行模板台车使得沿空留巷隔离墙的砌筑实现机械化和安全高效化。沿空掘巷无煤柱开采方案从减少煤柱损失的需求和采用放顶煤开采开始，在掌握了两个应力场的理论和采掘工作面正确的时空关系指导下逐步完善，目前已进入全面推广应用的阶段。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. 无煤柱开采巷道技术方案无煤柱开采可以通过沿空留巷和沿空掘巷的方式实现采面布置。现有的沿空巷道方案可以归纳如下。2.1. 沿空留巷方案根据隔离墙的位置关系有以下形式：£ 架后沿空隔墙留巷图 21架后沿空隔墙留巷£ 隔墙预支撑留巷 图 22隔墙预支撑留巷£ 架后沿空隔墙扩巷图 23 架后沿空隔墙扩巷2.2. 沿空掘巷方案£ 夹心锚筋混凝土沿空掘巷图 24夹心锚筋混凝土沿空掘巷图示£ 预支撑沿空隔离墙掘巷图 25预支撑沿空隔离墙掘巷图示2.3. 架后沿空隔墙留巷这是传统的沿空留巷方式，这种方式能够一次解决留够足够的巷道断面，是一种相对投资少，施工方便的方式。但这种方式适应性有限，施工条件和施工技术要求都比较高。如果设计施工环节不合理就会带来巷道大量返修甚至支护失败。因此，采矿条件、技术和施工要求高。l 优点：v 一次留足巷道断面；v 对原巷道进行加固就可重复使用；v 节约成本；v 缓解接续紧张问题。l 缺点：v 不适应高瓦斯易燃煤层；v 不适应部分放顶煤开采工作面；v 不适应快速回采高效工作面。v 不适应高架开采工作面。2.4. 隔墙预支撑留巷将墙体放到巷道中间与巷道掘进同时进行有利于一次成巷提高功效和节约掘进费用。但这种方式必须有良好的煤层和顶底板才能够实施。因此，使用面受到限制。优点：v 预留巷道可以服务两个区段；v 回采时候隔离墙完善工艺简单；v 顶板控制性较好；缺点：v 经受多次动压；v 不适应顶板破碎和高应力状况。v 不适应高瓦斯易燃煤层；v 不适应部分放顶煤开采工作面；2.5. 架后沿空隔墙扩巷架后沿空隔离墙扩巷的方式是一种保守的沿空留巷方式，主要是用到顶板破碎，巷道维护困难的采面。比起沿空留巷来可靠性显然上一个台阶。优点：v 留巷工艺简单可靠；v 可适应大多数地层和开采条件；v 可靠性高。缺点：v 不适应高瓦斯易燃煤层；v 不适应部分放顶煤开采工作面；2.6. 预支撑沿空隔离墙掘巷这种预支撑沿空隔离墙掘巷的无煤柱开采方式具有非常广泛的应用基础。采用这一技术方案选择合适的掘巷时机几乎可以应用到所有煤层情况。以上几种无煤柱开采技术，才条件允许的情况下优先选择沿空留全巷。优点：v 留巷隔离墙施工简单；v 隔离墙能够很好的控制顶板下沉，支护效果好；缺点：v 需要掘巷工程；2.7. 锚筋夹心混凝土沿空掘巷在完全留巷不具备条件的情况下，采用怎样的沿空掘巷是可行的。沿空掘巷应该是越靠近采空区矿压越小。为了达到煤柱回收和巷道维护的最佳效果，极限情况也就是可以采用小到一根锚杆长度的煤柱。但仅有一根锚杆长度的煤体的承载能力可能会因为掘进过程等情况影响而不能达到要求。因此，新发明的技术专利方案是采用以原煤体为主体的复合锚筋混凝土结构。这一结构充分发挥了原煤体的连续性和混凝土的高强度表面封闭性两者的优点，利用锚杆的锚固特性形成复合体的配筋。从理论上讲，这种墙体虽然比普通钢筋混凝土强度低，但比普通煤柱体强度高出几个等级。锚筋夹芯混凝土隔墙沿空掘巷无煤柱开采新技术是由西安科技大学惠兴田教授2009年发明的专利技术。这一技术是专门针对难以实施沿空留巷的松软破碎顶板或高瓦斯煤层或是采高超过4m的综采工作面实施无煤柱开采而发明的一项实用技术。该技术利用煤体的连续性形成沿空隔离墙主体，利用混凝土的高强度特征在煤体两侧使用锚杆的预应力将混凝土和煤体锚固在一起形成一道以锚杆为筋肋的预应力夹芯混凝土隔离墙。这一结构充分发挥了原煤体的连续性和混凝土的高强度表面封闭性，利用锚杆的锚固特性形成复合体的配筋。是非常廉价的优秀发明专利。锚筋夹芯混凝土隔墙几个显著优点：v 严密的封闭特性是任何沿空巷道所无法比拟的。任何情况下不会导致采空区漏风；v 复合墙体的综合承载能力相当于1.5m钢筋混凝土墙体强度。足够的支撑能力控制沿空侧顶板的动态沉降确保回采安全；v 力学上充分利用地压规律使巷道围岩应力处于合理降压区域。减少巷道维护量；v 施工方法简单可靠。无需专业施工机具。缺点：v 需要增加巷道加固费用；v 掘巷中线需要精确检测3. 沿空巷道矿压及支护原理研究无煤柱开采首先必须研究沿空巷道的矿压特性。只有将沿空巷道的压力特征研究到一定的深度，才能比较好的创意沿空巷道方案和沿空巷道隔离结构技术结构。3.1. 沿空留巷国内外研究现状国外对沿空留巷的研究较有影响的理论是英国南威尔斯大学斯麦脱(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。国内的专家学者如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”，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，应紧随工作面构筑，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切顶阻力，当基本顶的弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。垮落的岩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的运动过程及其变形特征，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控制的设计原则，并建立了相应的支护阻力及合理压缩量的数学模型。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，建立了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、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。华心祝教授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一巷旁锚索加强支护，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。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教授分析近年沿空留巷研究成果并经过开采边缘自稳试验和自稳拱线的加固平移试验等基础研究。总结出沿空巷道的围岩稳定机理并提出沿空巷道支护原理。指出治标治本的双重支护如下两点核心：l 巷道的巷帮和顶部的加固可以避免顶部微观离层，使稳定拱线向采空区方向移动l 隔离墙的高强度和及时性可以防止顶板宏观离层，使得巷道形成新的自稳隐形拱在过去的十数年间，惠兴田科研团队解决了60多例煤矿支护问题。精通煤矿顺槽支护技术。在此基础上对顺槽的全寿命沿空巷道研究也取得了可喜成绩。研究集中在隔离结构的及时和高强两方面兼顾上下功夫。在此基础上研究并发明了封闭模铸砌体结构技术。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。归结起来，我国通过理论研究、现场观测和实验室研究，在沿空留巷的围岩应力状态、沿空留巷的矿压显现规律及“支架一围岩”相互作用关系等方面进行了一系列的基础研究工作，取得的主要进展有：(1)研究了与采空区相邻煤体的内应力分布。从理论上研究了与采空区相邻煤体内的应力分布规律，分析了支承压力的各种影响因素，通过力学模型得出了求解煤体内弹性区应力、塑性区应力、塑性区宽度及支承压力影响范围等的数学表达式。(2)研究了沿倾斜方向巷旁煤体内不同应力带的特征及分布规律。70年代末期以来，我国部分科研单位通过数值分析、实验研究和不同矿区的三、四十个矿井进行的井下实测，查明了不同矿井中沿倾斜方向巷旁煤体边缘卸载带宽度、侧向支承压力峰值的应力集中系数和峰值离巷道的距离以及侧向支承压力影响的总范围。这四个参数的变动范围相应地为13m、1.74.5m和820m以及3050m。(3)开展了对沿空留巷全过程的矿压显现规律研究。通过大量井下观测和实验，研究了沿空留巷全过程所经历的五个不同矿压显现阶段(掘进影响、无采掘影响、一次采动影响、一次采动后稳定及二次采动影响阶段)中的巷道围岩移动和支架受载特点，查明了不同阶段对无煤柱护巷的影响程度。大量研究资料证实，一次采动对沿空留巷的影响是最严重的，尤其是工作面后方540m范围内形成的顶底板移近量可占全过程移近量的6070%，通过研究还提出了预计沿空留巷一次采动引起的顶底板移近量及留巷全过程的移近量等。(4)进行了沿空留巷“支架一围岩”相互作用关系研究。根据我国大量实测资料，沿空留巷周边位移及支架受载有以下基本规律：1)沿空巷道顶底板移近量较大，且靠近采空区侧顶底板移近量可达靠煤体侧的 1.52.7倍；2)底鼓在沿空留巷顶底板移近量中所占比重较大，少数沿空留巷底鼓所占比重可达75.9%；3)沿空留巷顶板水平移动明显；4)沿空留巷巷内支架受载并不是特别大，实测在30300kN之间；5)沿空留巷两侧顶压不均衡，靠采空区侧顶压达靠煤体侧的2.15.7倍。图 31 采空区外侧煤体内矿压表现3.2. 沿空矿压特点传统的矿压概念参见图。实际上矿压的演化在采空区侧煤体内是一个随时间和距离变化的函数。作为沿空巷道，仅凭图中解释是远远不够的。沿空巷道是处在采面后侧。位于采矿区后侧的煤体内矿压是空间和时间的函数。上图的空间理解是无法完全揭示沿空巷道矿压特征的。从纵向空间的观察来看，工作面后侧煤体顺沿空巷道向后煤体中矿压的变化是距离的函数。从以往的研究成果看，采面后侧15-30米是矿压急剧上升区域。从横向观察来看，采空区外侧煤体矿压分布是图 32 采空区外侧煤体内矿压表现。以时间的观点来看，煤体中的每一点要经受超前压力、采动矿压和采面过后又一次老空垮落矿压。矿压函数变量不仅是空间，而且还有时间变量。图 33 沿空侧煤体在采面刚过后的矿压表现3.3. 沿空巷道矿压分析作为沿空留巷的最为关键的是研究支撑隔离带上部顶板的矿压特征，以确定合理的支护形式和支护强度。研究留巷顶板的矿压特征以确定合理的顺槽初期支护方案和支护参数。沿空巷道顶部要经受矿压分布，掘进动压，回采超前动压外，更严重的是要经受回采后侧矿压的又一次剧变动压后保持稳定性。一般顺槽在经受回采动压后就遭到严重破坏，在采空区后侧采空区垮落形成的剧烈矿压过程中彻底崩溃形成垮落。3.4. 沿空巷道顶部矿压特征沿空隔离墙体上部顶板矿压力学表现是我们设计隔离墙的基础。3.4.1. 采场老空垮落规律另一方面，图 34 采空上空垮落规律可以看出，老空上部垮落是以大约45o斜上冒落。也就是说留巷侧采空区上空破裂线一般不会进入到巷道顶板内。只要隔墙有足够的强度，采空侧顶板断裂线就会远离隔墙向老空上方发展。图 34 采空上空垮落规律3.4.2. 顶板宏观表现煤层开采后采空顶板的活动跟支护状况有关。见图。这一过程决定于支护方式和支护强度。由于沿空巷道一般要经过4次矿压显现。沿空巷道的围岩变化是非常复杂的。顶板离层和老顶折断理论可以方便的说明沿空巷道后支撑墙体结构和强度对巷道稳定性的影响。用什么支撑？我们一直不慷慨！是不是传统简易支护能够实现？图 35 采面过后支撑顶板会使顶板岩层折断图 36 不同支撑强度使得顶板形成不同形式的垮落3.4.3. 顶部微观表现掘进期间稳定平衡微量离层回采超前动压影响掘进支护图 37 回采巷道生命周期采面采面采面3.4.4. 顶板力学表现静力平衡过程：在掘进过程中，刚暴露的顶板会具有向巷道内部移动变形的趋势，这时候顶板还是处于原岩状态，内部没有明显的裂隙和层理离层。在经历数小时后，顶板开始产生较大位移，顶部岩层离层开始产生明显裂隙，这种微小的离层裂隙是一般支护都无法阻止的。掘进过程中这种岩体位移的新的平衡一般需要数天到数月甚至更长的时间。一般岩体能够在一个星期达到一个相对平衡。回采动态平衡回采期间超前动压，周期来压，支架动压，后巷动压平衡。在动压平衡的几个阶段中，每一个过程都是对支护体系的一次考验。掘进期间稳定平衡微量离层回采超前动压影响掘进支护采面采面采面图 38 沿空巷道生命周期全过程回采过程动压影响采面支架动压影响后支撑后采空动压后支撑3.4.5. 材料力学特征图 39 几种不同性质材料力学特性岩石抗压岩石抗拉钢材抗压抗拉235-540Mpa10-60Mpa0.2-1Mpa图 310 同一个坐标系的岩石和钢材特性上述图示给我们揭示了：l 钢材的强度能够对岩体加固的原因是其高强度；l 钢材必须和岩土变形一致才能够起作用，而且作用很小；l 只有高预应力钢材才能够很好的对岩体起到加固作用；l 沿空后巷砌墙必须紧贴巷道顶板才能有效支护巷道3.5. 沿空巷道支护原理实践证明，在采面过后，靠近采空侧的煤壁首先要经受比垂直地压大很多的矿压显现。而后，经过一个时间空间的变化，采空区侧煤体内的矿压变化稳定后表现为沿煤体边缘向内的突然上升后逐渐衰减的一个曲线。因此，无论理论上怎样描述沿空巷道的有利矿压位置。我们应该清醒的认识到，沿空巷道在最初形成时候必然要经过一个高应力变化时间。因此，沿空巷道的支护在设计理念上与传统的顺槽有很大的区别。3.6. 沿空侧的相似模拟提示采空区顶部断裂线是倾斜向上发展的。断裂线的起始位置是在煤体的煤壁。沿空隔离墙只有足够的强度才能够承担煤壁的作用，防止采空顶板断裂扩展到巷道煤壁根部。图 311相似模拟采空区垮落规律对图示的总结可以一句话：一语道破天机，强度决定留巷！3.7. 沿空留巷支护原理沿空留巷的支护应该从两方面入手：加强顶板锚固图 312 普通支护对沿空巷道顶部强度影响支架动压影响后支撑后采空动压后支撑后采空动压普通支撑图 313 沿空巷道顶板采用锚固后的强度影响支架动压影响后支撑后采空动压后支撑后采空动压普通支撑增加高强度隔离墙图 314 沿空巷道支撑强度影响支架动压影响后支撑后采空动压后支撑后采空动压高强支撑3.8. 沿空隔离墙掘巷支护原理从力学分析可知，沿空隔离墙离采空区越近。隔离墙后期的矿压显现就越小。但是，过小的煤柱不能承受矿压转移过程中的高地压荷载。因此，在沿空掘巷的实践中，人们将窄小煤柱尺寸一般都需要定到5m以上。有一些将沿空窄煤柱尺寸定为3m。那些煤柱都被动压压碎成为塑性体，使得沿空掘巷顶板产生过量下沉而使得支护工作非常被动。有时候导致巷道反复维修使得巷道支护费用很高。3.9. 沿空留巷支护对策上述图示全面分析了沿空巷道相关工程和力学问题。应该从巷道顶板加固和隔离墙支撑强度两方面入手。根据分析结果提出如下原则：顺槽前支护：l 顶板应该使用强力钢带以增加横向约束力和群锚效应l 只有高预应力钢材才能够很好的对岩体起到加固作用；回采过程顺槽支护：l 顺槽掘进过程支护必须及时减少顶板暴露时间l 巷道二次加固必须施加足够的预应力减少顶板离层回采后顺槽支护：l 沿空巷道后支护结构必须足够强大以抵抗巷道后期2次动压l 沿空巷道后支撑结构应该有贴顶能力以形成强力对抗支护减少顶板过量下沉l 沿空巷道后支护可以采用注浆技术加固顶板以提高顶板完整性3.10. 现有技术分析结果l 沿空巷道矿压特征沿空留巷矿压是空间和时间的函数，采面后侧15-30米是矿压急剧上升区域;l 沿空隔墙特征高强度隔墙能够保证切顶发生在采空侧，有利于巷道顶板维护和预防围岩裂隙漏风；l 沿空巷道顶板特征锚固力不足容易导致顶板离层破裂，高于应力加固有利于顶板在受到各种复杂荷载情况下保持完整性。l 沿空巷道支护对策早期高预应力桁架支护，回采期不空顶支护，采后及时高强隔离墙接顶支护。除了加强顶板锚固强度，沿空留巷隔离墙只有早期到回采过后10-30米达到足够高强度并且封闭接顶，使得隔离墙能够产生足够的切顶力。这是沿空留巷成功的关键4. 无煤柱顺槽巷道隔离技术现状将上区段顺槽维护后留给下区段使用或是沿采空侧掘巷完成下区段开采。这是人们多年的向往。在几十年的研究应用中，该领域的成功与失败并存。4.1. 沿空留巷施工技术分析有关沿空留巷方面的实践分析归结如下：4.1.1. 密集支架形式基本不可取沿空留巷在上世纪研究初期基本上都是以支架形式完成。那时候各种支架形式的应用曾经解决过许多回采工作面的无煤柱采煤问题。但都是应用到一些采面矿压相对较小并且煤层赋存条件较好的无自然发火的低瓦斯矿井。而且应用情况也不能令人满意。这种方式因为支护材料品种多，工作量大，支护效果差，采空区隔离效果差等问题现在很少应用。图 41 密集圆木点柱矸石堆垛4.1.2. 矸石堆垛方式应该淘汰这是一种便于起步，容易操作，施工工艺非常简单的沿空留巷方式。也是一般企业初期以低成本方式起步的方式。矸石堆垛法是一种看似简单经济的做法，但因为该方法不能达到及时有效支撑顶板，容易造成顶板过量下沉导致巷道不利于回采工作。这种方式虽然材料单价低，但会消耗大量的人力，而且隔离效果很差，因此适应面很小。一些好的方法的出现会加速这一方法的淘汰。图 42 薄煤层袋装矸