沿空留巷技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀分析

常文超,王宇涵,李康文

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

煤炭是我國(guó)主要的能源和重要的工業(yè)原料。長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭作為我國(guó)的主要能源，有力的支撐了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的平穩(wěn)較快發(fā)展。近年來(lái)，雖然煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中比重會(huì)有所下降，但煤炭的消費(fèi)總量仍將保持適度增加[1-2]。但是，我國(guó)現(xiàn)在正面臨著綠色煤炭資源量少，煤炭資源回收率低等問(wèn)題，若不提高回收率，我國(guó)將不得不大面積開(kāi)采非綠色煤炭資源，勢(shì)必帶來(lái)安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的問(wèn)題[3-4]。

沿空留巷(如圖1所示)是在工作面回采后，在采空區(qū)側(cè)保留原有的回采巷道，這樣不僅可以明顯減少巷道掘進(jìn)量，減輕施工負(fù)擔(dān)，還能提高煤炭回采率，大量節(jié)約煤炭資源，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，以沿空留巷為代表的無(wú)煤柱開(kāi)采方式解決了煤炭開(kāi)采回收率低的問(wèn)題，是煤炭開(kāi)采的重要發(fā)展方向。

2 沿空留巷技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題分析

沿空留巷技術(shù)雖然具有提高煤炭回采率、減少巷道掘進(jìn)量等優(yōu)點(diǎn)，但是沿空留巷技術(shù)會(huì)導(dǎo)致留巷圍巖的應(yīng)力增加，使巷道變形增加。因此，如何減少巷道變形量及維持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定是能否成功應(yīng)用沿空留巷技術(shù)最為關(guān)鍵的問(wèn)題。

3 傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)

3.1 被動(dòng)支護(hù)沿空留巷技術(shù)

被動(dòng)支護(hù)沿空留巷技術(shù)主要是指棚式支護(hù)沿空留巷技術(shù)，其可謂是最為傳統(tǒng)的沿空留巷支護(hù)技術(shù)。棚式支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)在于能及時(shí)達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度，較少影響采煤效率。但它也存在很多的缺點(diǎn)，即對(duì)動(dòng)壓荷載的承受能力弱，難以適用地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的巖層，在深部巖層中的應(yīng)用較為困難，使用時(shí)需要耗費(fèi)大量的支護(hù)材料導(dǎo)致成本增加。

3.2 主動(dòng)支護(hù)沿空留巷技術(shù)

錨桿支護(hù)及錨桿、錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護(hù)沿空留巷技術(shù)即為主動(dòng)支護(hù)沿空留巷技術(shù)。與棚式支護(hù)沿空留巷技術(shù)相比，其具有更高的支護(hù)強(qiáng)度，能改變巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，從而能提升巷道穩(wěn)定性，起到良好的加固作用。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻有施工較為困難的局限性，特別是采用密集間排距布置錨桿、錨索時(shí)，施工更為困難，進(jìn)而導(dǎo)致效率降低，影響經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 巷旁充填體沿空留巷技術(shù)

巷旁充填體沿空留巷(如圖2所示)就是指在煤礦開(kāi)采后，利用膠結(jié)材料充填采空區(qū)，待膠結(jié)材料固化形成充填體而具有一定的強(qiáng)度后，通過(guò)充填體來(lái)支撐巷道頂板，從而達(dá)到控制巷道變形的目的。膠結(jié)材料有很多種，其中應(yīng)用最為廣泛的是膏體充填材料，其由礦渣、粉煤灰等材料制成。

雖然該技術(shù)具有能進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，但是由于充填材料在井下惡劣的工作環(huán)境中往往難以長(zhǎng)期保證具有足夠的強(qiáng)度，而且在充填采空區(qū)時(shí)，需要使用大量的充填材料，這無(wú)疑增加了巨大的成本，因此巷旁充填沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用也具有一定的局限性。

4 二次沿空留巷技術(shù)

4.1 二次沿空留巷概述

傳統(tǒng)的沿空留巷就是在上工作面回采后，通過(guò)一定的方法沿采空區(qū)側(cè)保留一條巷道，作為下工作面的回風(fēng)巷，實(shí)現(xiàn)一條巷道，兩次利用，這樣就可以少掘一條巷道，達(dá)到減少掘進(jìn)量和提高煤炭回采率的目的。二次沿空留巷(如圖3所示)就是在傳統(tǒng)的沿空留巷基礎(chǔ)上，再次利用該條巷道，使巷道兩側(cè)均為采空區(qū)，這對(duì)于減少區(qū)段煤柱損失而提高煤炭回采率、減少巷道掘進(jìn)量等都具有十分重要的意義。

4.2 二次沿空留巷關(guān)鍵問(wèn)題分析

二次沿空留巷時(shí)，由于采空區(qū)上覆巖層的活動(dòng)更加激烈，對(duì)巷道的影響也最大。因此，如何維持二次留巷期間沿空留巷的穩(wěn)定性并使其能滿足長(zhǎng)期使用的要求是最為重要的?；趯?duì)二次沿空留巷的全過(guò)程分析，根據(jù)二次沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闞甲廣等提出了“多分區(qū)耦合支護(hù)”圍巖控制方法，為達(dá)到長(zhǎng)期使用的目的，應(yīng)在留巷初期即二次留巷初期對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，并在留巷圍巖穩(wěn)定后進(jìn)行注漿加固。

5 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采量和需求量的不斷增加，我國(guó)部分地區(qū)淺部煤炭資源已近枯竭，許多煤礦已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采階段。但是，由于深部巖石的力學(xué)特性發(fā)生了重大變化，使得深部開(kāi)采與淺部開(kāi)采具有非常明顯的區(qū)別，即深部開(kāi)采處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境中。其中，“三高”即高地應(yīng)力、高低溫、高巖溶水壓，“一擾動(dòng)”是指采礦擾動(dòng)[5]。

在深部巖層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，由于圍巖本身就處于高地應(yīng)力狀態(tài)，再加上煤炭回采時(shí)帶來(lái)的強(qiáng)烈支承壓力作用，使得巷道圍巖應(yīng)力比原巖應(yīng)力大得多，進(jìn)而導(dǎo)致巖爆、礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖變形等災(zāi)害，在強(qiáng)度、頻率和規(guī)模上比淺部開(kāi)采大的多。因此，深部采煤時(shí)，如何保持巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定，減少甚至避免發(fā)生安全事故，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

5.1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)概述

為解決深部采煤圍巖應(yīng)力高、礦壓顯現(xiàn)劇烈這一重要問(wèn)題，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)何滿朝院士以“切頂短臂梁”為理論基礎(chǔ)，提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)(如圖4所示)。

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)就是首先使用恒阻大變形錨桿將留巷頂板加固，然后采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)，切斷采空區(qū)頂板和留巷頂板之間的聯(lián)系，從而切斷頂板間的應(yīng)力傳遞路徑，使所留巷道處于卸壓區(qū)，并利用巖石的碎脹性，在工作面回采后使頂板垮落矸石自動(dòng)填滿采空區(qū)，進(jìn)而減弱或消除老頂周期來(lái)壓對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

5.2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 恒阻大變形錨桿

采用切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)時(shí)，要求留巷頂板具有足夠的強(qiáng)度及一定的許可變形量，才能保證在采空區(qū)頂板垮落時(shí)沿空留巷的安全和穩(wěn)定。由于普通錨桿滿足不了這種要求，為此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)何滿朝院士經(jīng)過(guò)多年的刻苦研究，研發(fā)出了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻大變形錨索。這種錨索可以實(shí)現(xiàn)在恒定支護(hù)阻力條件下的拉伸大變形，從而能有效降低巷道頂板下沉量，滿足了切頂卸壓沿空留巷頂板的特殊要求[6]。恒阻大變形錨索如圖5所示。

5.2.2 定向預(yù)裂爆破技術(shù)

定向預(yù)裂爆破技術(shù)就是通過(guò)一些方法使炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟氣體和爆炸應(yīng)力波沿徑向沖擊產(chǎn)生裂紋，并使裂紋持續(xù)發(fā)展，最終形成預(yù)期的斷裂面。常見(jiàn)的定向預(yù)裂爆破技術(shù)主要有切槽孔爆破技術(shù)、聚能藥卷爆破技術(shù)和切縫管爆破技術(shù)。通過(guò)定向預(yù)裂爆破技術(shù)，可以按照設(shè)計(jì)位置進(jìn)行頂板預(yù)裂切縫，使頂板能按設(shè)計(jì)高度垮落，不僅切斷了頂板間的應(yīng)力傳遞，還能使垮落的矸石充滿采空區(qū)，對(duì)老頂起到支撐作用。

5.2.3 切頂高度

巖石在破碎后，其體積會(huì)比破碎前增大的性質(zhì)稱(chēng)為巖石的碎脹性。切頂卸壓正是利用巖石的這種性質(zhì)，當(dāng)切頂高度足夠時(shí)，頂板巖石破碎垮落后能完全充滿采空區(qū)，對(duì)老頂起到支撐作用，使老頂不產(chǎn)生“O—X”型破斷，進(jìn)而優(yōu)化沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)，降低回采時(shí)老頂周期來(lái)壓對(duì)留巷圍巖的擾動(dòng)作用，使沿空留巷的穩(wěn)定性得到顯著提高。因此，切頂高度(如圖6所示)是決定切頂卸壓沿空留巷技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。切頂高度計(jì)算方法如下：

設(shè)煤層厚度為M，巖石碎脹系數(shù)為K，切頂高度為H時(shí)，頂板垮落矸石能完全充滿采空區(qū)，則采煤前切頂高度加煤層厚度與采煤切頂后，頂板垮落矸石高度應(yīng)相等，即：

H+M=KH

(1)

化簡(jiǎn)可得:

M=H(K-1)

(2)

即可達(dá)到切頂高度計(jì)算公式：

H=M/(K-1)

(3)

其中，M為煤層厚度，m；K為巖石碎脹系數(shù)，一般取1.3～1.5。

5.2.4 切頂角度

一般情況下，由于直接頂?shù)膹?qiáng)度較低，切頂角度對(duì)直接頂能否成功垮落的影響較小。但是當(dāng)切頂高度包含基本頂時(shí)，如果切頂角度(如圖6所示)太小，采空區(qū)頂板將不能順利垮落，采空區(qū)頂板仍會(huì)對(duì)留巷頂板產(chǎn)生聯(lián)系，這會(huì)導(dǎo)致卸壓不充分，嚴(yán)重影響留巷圍巖的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)切頂角度太大時(shí)，頂板懸臂長(zhǎng)度也會(huì)增加，不利于沿空留巷的維護(hù)，所以在滿足采空區(qū)基本頂能順利垮落的前提下，應(yīng)盡量減小切頂角度。

6 結(jié)語(yǔ)

1)沿空留巷技術(shù)不僅可以提高煤炭回采率、減少掘進(jìn)量，還能有效緩解煤礦開(kāi)采中采掘接替緊張的問(wèn)題，大大提高了生產(chǎn)效率，目前已經(jīng)在我國(guó)很多煤礦中得到應(yīng)用。

2)隨著我國(guó)淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開(kāi)采逐漸向深部擴(kuò)展，如何在深部巖層使用沿空留巷技術(shù)進(jìn)行煤炭開(kāi)采已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)不僅從理論上證明了在深部煤炭開(kāi)采應(yīng)用沿空留巷技術(shù)的可行性，而且已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)礦井成功應(yīng)用并取得了良好的應(yīng)用效果，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。