沿空留巷技術研究現狀與展望*

和樹棟　張　軼　劉　威

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司；

3.山東東山新驛煤礦有限公司)

?

沿空留巷技術研究現狀與展望*

和樹棟1,2張軼1,2劉威3

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司；

3.山東東山新驛煤礦有限公司)

摘要實現我國煤礦可持續發展的關鍵在于合理開采、利用現有煤炭資源、提高資源回采率。沿空留巷技術在理論和實用價值層面促進了無煤柱護巷技術的發展，技術經濟優勢明顯，符合綠色采礦、科學采礦的發展思路。為此，詳細分析了沿空留巷理論研究、支護形式的國內外研究現狀，剖析了該技術的應用成果，探討了該技術的發展方向，為沿空留巷技術的快速發展提供參考。

關鍵詞沿空留巷技術現狀科學采礦綠色采礦發展方向

我國多數煤礦的井工開采形式決定了其年掘進巷道尺度巨大(約4萬km)，其中多數回采工作面采用留設煤柱的方式進行維護，該方式可導致全礦煤炭資源總量的約40%遭到損失。因此，研究區段間無煤柱護巷技術不僅可提高煤炭資源回收率，而且在降低巷道掘進率方面效果顯著。沿空留巷作為一種無煤柱護巷方式，在減少巷道掘進量、緩解采掘接替矛盾、取消孤島工作面等方面優勢突出。沿空留巷技術取消了護巷煤柱，解決了回采工作面推進過程中因煤柱應力集中造成的沖擊地壓、瓦斯涌出與積聚等問題，在控制煤礦重大事故災害方面獨具優越性。沿空留巷技術是實現前進式和往復式采煤方法變革的有效途徑，據統計，沿空留巷一般可提高采區采出率10～20個百分點，可普遍降低巷道掘進率25～33個百分點。因此，該技術受到了業內人士的高度重視，在理論研究、工程應用層面均取得了長足的發展。本研究就該技術的研究現狀以及發展方向進行分析，供相關研究參考。

1沿空留巷理論研究進展

1.1沿空留巷上覆巖層活動基本規律

沿空巷道上覆巖層活動規律盡管具有獨特性，但又與常規工作面回采時上覆巖層的活動規律有密切關聯。錢鳴高等[1]提出了采場上覆巖層的“砌體梁”結構力學模型、“關鍵層”理論等，詳細闡述了覆巖中的厚硬巖層所承受的載荷及變形破壞規律。宋振騏[2]提出了“傳遞巖梁”力學模型，認為破斷巖梁始終能向煤壁前方及采空區矸石傳遞作用力，支架與巖梁間的相互作用存在“給定變形”和“限定變形”2種工作方式。陸士良[3]經過研究，認為留巷頂板下沉量與采厚成正比例關系，下沉量占采厚的1/10～1/5，在整個變形過程中屬“給定變形”。何廷峻[4]通過分析工作面端頭形成的三角形懸頂破斷結構，預測了該結構在留巷過程中破斷的位置及時間，為確定滯后加固所留巷道的時間和長度提供了理論支撐。孫恒虎等[5]通過相似材料模擬試驗探究了沿空留巷圍巖活動的前期和后期規律，提出了前期支護以“頂”為主、后期支護以“讓”為主的圍巖控制理念。侯朝炯等[6]以綜放沿空掘巷圍巖的特點為基礎，提出了圍巖大小結構的原理，將基本頂沿傾斜方向形成的結構作為沿空掘巷圍巖的大結構，將巷道周圍錨桿組合支護以及錨桿與圍巖組成的錨固體作為小結構。柏建彪[7]在所建立的沿空掘巷基本頂弧形三角塊結構力學模型的基礎上，對該結構在掘巷前后及受采動影響時的穩定性進行了力學分析，闡述了該結構的穩定性對沿空掘巷的影響，理論研究和工程實踐均表明基本頂破斷后形成的砌體梁結構形成了沿空巷道的上部力學邊界。

1.2沿空留巷巷旁支護阻力基本規律

國內外學者對沿空留巷巷旁支護阻力進行了深入研究，Whittaker等在巖體結構靜力關系的基礎上提出了分離巖塊力學模型。前蘇聯學者B．胡托爾諾依將采場礦壓懸梁模型在沿空留巷中進行了推廣，推導了巷旁支護切斷直接頂的工作阻力計算式。Smart等提出了頂板傾斜力學模型，提出了限制巷道煤體一側到采空區邊緣間頂板下沉量的思路，認為巷旁支護設計的2個關鍵參數在于頂板傾斜角和轉動支點位置。陳名強[8]認為巷旁支護的工作阻力應能承受由于支撐點和上覆巖層載荷重心不一致引起的附加載荷、上覆巖層破斷時的動壓載荷、弧三角板懸板結構重量及其破斷前移時的載荷。孫恒虎等[5]將簡化了的矩形“疊加層板”代替長壁工作面沿空留巷的煤層頂板，通過條帶載荷法和塑性極限分析法確定了留巷巷旁支護阻力及巷旁支護體后期阻力的計算方法。周華強等[9]通過試驗研究，認為巷旁充填體通過改變頂板彎矩分布、切落采空側頂板可控制頂板下沉，減少作用于支護體系上的載荷，并為留巷頂板平衡創造條件。柏建彪[10]根據塊體不同時期的平衡條件推導了不同時期的巷旁支護阻力計算式，但巷道圍巖和老頂斷裂位置等參數的選定往往受人為因素的影響。馬立強等[11]在巷內充填原位沿空留巷技術基礎上，提出了巷內充填原位沿空留巷圍巖結構力學模型，并深入分析了圍巖與充填體間的相互作用關系。

2沿空留巷支護形式研究現狀

2.1巷內基本支護

沿空留巷巷內基本支護由早期的金屬支架或木棚被動支護逐步向錨桿(索)主動支護轉變。目前我國部分礦區應用的留巷巷內支護情況(表1)基本反映了現階段我國沿空留巷巷內支護的主要形式。

表1　我國沿空留巷巷內支護情況

在中厚及厚煤層大斷面巷道中應用沿空留巷技術，隨著巷道圍巖載荷、變形的增加，原使用的金屬支架型鋼重量不斷增加，棚距日益減小，留巷費用居高不下。據統計，某礦務局使用的U型鋼可縮性支架受采動影響發生的支架變形破壞情況如表2所示。究其原因：一方面由于金屬支架無法緊密接頂，沿巷道周邊和軸向載荷分布不均勻，產生由于支架變形導致的彈性抗力，即被動載荷；另一方面由于支架在載荷作用下產生縮動，支架幾何尺寸的改變導致裝配應力的產生，進而使支架內力隨之改變。由此可見，金屬可縮性支架在沿空留巷中的應用受到了限制。

表2受采動影響支架變形破壞比重

%

沿空巷道穩定的關鍵在于對巷道兩幫和頂板的控制，采用錨桿支護方式對巷內頂板進行主動控制，提高圍巖的極限強度和破碎圍巖的殘余強度，使得圍巖的自承能力得到充分發揮。因此，沿空留巷采用加長錨固的高強度錨桿(索)支護，對于巷內頂板具有良好的保護效果。

2.2巷內加強支護

沿空留巷在工作面采動及采后留巷期間，即在上區段工作面采前20 m及采后100 m范圍內，巷道圍巖活動強烈，該范圍內需采用加強支護方式。一般來說，宜采用單體液壓支柱或專門研制的支架進行加強支護。我國部分采用沿空留巷技術的礦區巷內支護情況見表3。

表3我國沿空留巷巷內支護情況

礦井及工作面工作面地質條件巷道斷面/m2加強支護形式福城礦1901S面煤層厚5.01m,傾角14.5°～45°,頂板細砂巖,底板泥巖及粉砂巖12.60單體液壓支柱、錨桿索聯合支護義絡煤業38010工作面煤層傾角20°～45°,煤厚0～3.5m3.60單體支柱配π型鋼梁支護新莊孜礦62110工作面煤厚1.0m,傾角16°～24°,頂板為砂質泥巖,厚2.0～3.0m13.44初始采用錨梁網支護,加固采用架噴錨注聯合支護孟莊礦Ⅲ4-222工作面煤層均厚1.17m,傾角26°,直接頂泥巖,老頂中粒砂巖,底板泥巖及粉砂巖11.76架棚和支柱聯合支護前嶺礦4330工作面煤層傾角40°,煤厚1.88m,頂板泥巖、粉砂巖,厚7.26m,底板泥巖、粉砂巖3.00架棚和支柱聯合支護長溝峪煤礦4槽工作面煤層厚1.6m,傾角35°,直接頂細砂巖,老頂中砂巖,直接底粉砂巖6.60單體液壓支柱支護新強礦五采區煤層厚1.8m,傾角45°,頂板細砂巖7.20單體支柱支護太平礦7036工作面煤層厚0.57～1.5m,傾角58°～63°,頂板粉砂質泥巖、粗砂巖,底板泥質粉砂巖6.60單體支柱支護

2.3巷旁支護

沿空側巷旁支護體材料和性能的選擇直接決定了沿空留巷施工的成敗。支護體需在短時間內承載快強，通過一定的支護阻力將采空側的懸空頂板切落，并能夠適應留巷后期圍巖的劇烈變形。目前多數礦井在應用沿空留巷技術時都設置巷旁支護。

2.3.1傳統巷旁支護形式

(1)木垛巷旁支護。木垛巷旁支護在沿空留巷技術發展的初期應用較多，形式多為單排木垛。優點是控頂面積大，采空側單排木垛適于擋矸，架設靈活、方便，后期支承能力大，相對穩定。缺點是木材消耗量大；早期低支承能力無法起到減緩頂板下沉的作用；木垛可縮量大，無法起到切斷采空區頂板的作用；木垛屬寬幅巷旁支護類型，增加了作用于巷內支架上的載荷；無法對采空區實現封閉。該支護形式主要適用于薄及中厚煤層。

(2)密集支柱巷旁支護。密集支柱屬中強度、有限可縮量的窄幅巷支護類型。支柱早期承載快強，易通過改變架設間距調節其承載能力，適用于不同的采高。該支護形式對頂底板的完整性要求較高，軟弱頂底板條件下支柱易于插入頂底板進行卸載，進而失去支撐和切頂作用，極易受采空區冒落矸石的沖擊發生傾倒，支柱的架設質量決定了其工作性能。密集支柱適用于薄及厚煤層以及圍巖中等穩定以上條件的巷道。

(3)矸石帶巷旁支護。矸石帶屬寬幅、大可縮量巷旁支護類型。但由于矸石帶初期不承載、后期壓實后承載性能提升，但此時頂板已大量下沉并失去穩定性。堆砌的矸石帶增加了頂板的懸跨度，易造成頂板沿煤壁邊緣斷裂致使巷內支護體上載荷增加。但該支護方式材料來源廣泛、價格低廉，在經濟上是有效的巷旁支護方式，對于頂板較穩定的巷道，在確保砌帶速度、砌筑質量的前提下，沿空巷道后期會取得較好的支護效果。該支護形式多應用于薄煤層沿空留巷。

(4)人造砌塊巷旁支護。人造砌塊作為巷旁支護方式，優點是材料來源廣、價格低廉、構件的剛性大、承載快，壓縮2%便可達到最大載荷。缺點是受載超過抗壓時砌塊易呈脆性破壞，導致承載能力迅速下降，大采高煤層留巷應用砌塊支護時存在穩定性差等問題。

綜合上述分析，沿空留巷普遍存在支護阻力、可縮性等力學性能與沿空留巷圍巖變形不相適應，采空區密閉性較差，人工勞動強度較高等缺點，所以長期以來我國沿空留巷多應用于條件較好的薄及中厚煤層，而在厚煤層、急傾斜煤層等條件較差的煤層中多采用沿空掘巷技術。

2.3.2巷旁支護新材料和新技術

(1)高水速凝材料巷旁支護。高水速凝材料混合后具有凝固快速、承載快強、塑性變形量大、易于泵送、構筑機械化程度高等優點。但由于材料價格相對較高，對充填袋的要求(抗靜電、阻燃)也較高，因而制約了其在煤礦中的廣泛應用。高水速凝充填材料是在高水速凝材料中按配比加水攪拌獲得，28 d 強度可達8～20 MPa。高水灰渣充填材料是高水速凝材料外加活性灰渣進行改性得到的一種充填材料，28 d強度可達3～5 MPa。應用高水充填新技術時需建立較完善的充填材料加工制備和泵運充填系統，前期成本投入較大，此外，充填體受材料、工藝性能的影響，導致接頂質量得不到保障，因而仍難以推廣應用。

(2)膏體材料巷旁支護。膏體材料巷旁支護是將膏體狀充填材料經加工制備、泵送、鋼管輸至由模板構筑的充填空間內凝結而成。材料由膠結料、骨料加水攪拌混合均勻而成，矸石在材料中的比重可達85%以上，減少了礦井地面排矸，膏體材料28 d 強度可達3～9 MPa。膏體材料巷旁支護的塑性變形特征顯著，材料達到峰值強度后，隨著變形的增大，承載能力緩慢下降。該特性使得巷旁支護在整個留巷過程中實現了“讓”與“抗”的有機結合，保證了巷道的支護效果。從材料力學特征、經濟性等方面分析，沿空留巷應用膏體材料巷旁充填技術是可行的。

2.4巷旁充填布置

留巷的方式在一定程度上影響著沿空留巷圍巖的穩定性。沿空留巷在滿足巷內、巷旁支護參數要求的同時，根據巷旁充填體與原巷道的相對位置關系，可供選取的巷旁充填體的布置形式如圖1所示。

原位留巷是沿空留巷最為常見的巷旁充填體布置方式，該方式可一次性保持巷道原有形狀，無需再次擴巷，但巷道維護可能會出現一定的困難。其他留巷布置方式均隨著巷旁充填體向煤壁側靠近，縮小了原有巷道的尺寸，在頂板來壓、采動影響時更有利于巷內頂板的維護，但在巷道來壓穩定之后，仍需耗費一定的人力、物力對巷道重新進行刷幫擴巷，恢復巷道原有的形狀。

圖1　沿空留巷巷旁墻體布置形式

3總結與展望

3.1總結

沿空留巷技術經過近50 a的研究、試驗、引進和推廣，條件較好的薄及中厚煤層沿空留巷的礦壓顯現規律及充填體作用機理的研究日趨成熟，取得的成果主要有：

(1)沿空留巷圍巖變形是由工作面回采引起的基本頂破斷、失穩造成的。工作面推進過后，裂隙帶巖層的急劇沉降導致巷道頂板在短期內劇烈下沉。多數情況下，沿空留巷頂板下沉速度在工作面后方10～20 m處最大，60～70 m以后頂板下沉趨于穩定。

(2)沿空巷道的頂板沿傾向向采空區方向傾斜明顯，沿傾斜方向巷旁煤體邊緣卸載寬度為1～3 m，側向支承壓力峰值距巷道2～5 m，支承壓力影響范圍為30～50 m。

(3)采動期間巷道頂板下沉量與煤厚成正比關系，一般為采厚的1/10～1/5，基本屬于“給定變形”。隨著煤層采厚的增加，巷內支護由被動單體柱支護向主動錨桿(索)支護發展，部分礦井配合使用工字鋼或U型可縮性支架進行支護，效果顯著。

(4)巷旁支護不可能完全阻止回采覆巖來壓導致的巷道頂板劇烈沉降，厚硬頂板條件下需設置強力的切頂支架或進行人工挑頂緩解支護體系上的荷載，否則，所留巷道的維護難度仍會加大。

3.2展望

(1)沿空留巷工程實踐多數是在緩傾斜、薄及中厚煤層、頂板穩定煤層開展的，在急傾斜、厚煤層、深井多水平等不利條件下開展沿空留巷工程實踐仍有待進一步研究。

(2)以往建立的沿空留巷力學模型一般僅考慮巷旁支護與頂板巖層的相互作用關系，忽視了巷內支護對維護巷道的作用，特別是忽視巷幫煤體對沿空留巷頂板的支承作用。

(3)在不同的頂板條件下，針對工作面側向頂板斷裂結構與破斷規律、充填體承載性能、載荷傳遞特征等方面的研究仍需深入。

(4)研發適用于不同頂板條件下沿空留巷圍巖運動特點的低成本新型巷旁充填材料及支護方式是沿空留巷技術的重點攻關方向之一。

參考文獻

[1]錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究[J].煤炭學報，1996，21(3)：225-230.

[2]宋振騏.實用礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1988.

[3]陸士良.無煤柱巷道的礦壓顯現與受力分析[J].煤炭學報，1981(4)：29-37.

[4]何廷峻.工作面端頭懸頂在沿空巷道中破斷位置的預測[J].煤炭學報，2000，25(1)：28-31.

[5]孫恒虎，吳健，邱運新.沿空留巷的礦壓規律及巖層控制[J].煤炭學報，1992，17(1)：15-23.

[6]侯朝炯，李學華.綜放沿空掘巷圍巖大小結構的穩定性原理[J].煤炭學報，2001，26(1)：1-6.

[7]柏建彪.沿空留巷圍巖控制技術研究[J].煤炭支護，2009(2)：13-20.

[8]陳名強.巷旁支護帶理想力學特性的探討[J].焦作礦業學院學報，1988(2)：78-87.

[9]周華強，侯朝炯，易宏偉，等.國內外高水巷旁充填技術的研究與應用[J].礦山壓力與頂板管理，1991(4)：1-6.

[10]柏建彪.巷道掘進空頂距確定的差分方法及其應用[J].煤炭學報，2011，36(6)：921-924.

[11]馬立強，張東升.綜放巷內充填原位沿空留巷充填體的支護阻力研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26(3)：544-549.

Research Status and Development Direction of Gob-side Entry Retaining Technique

He Shudong1, 2Zhang Yi1,2Liu Wei3

(1.State Key Laboratory of Gas Monitoring and Emergency Technology; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute;3.Dongshan Xinyi Coal Mine Co.Ltd.of Shandong Province)

AbstractThe keys of the efficient and sustainable development in coal mines in our country is reasonable exploitation,utilization of the existing coal resources and improvement of resources stoping rate.The development of roadways protection without coal pillars technique is promoted by the god-side entry retaining technique in the aspect of theoretical and practical value,and it has obvious technical and economic advantages,besides that,it is consistent with the development thought of scientific mining and green mining.In order to better understand the technique,the development status of domestic and foreign of the god-side entry retaining theory and god-side entry retaining technique are analyzed in detail,the results obtained during the application process of the god-side entry retaining technique are discussed in depth,based on the above analysis results,the development direction of the god-side entry retaining technique is studied to provide reference for the development of the god-side entry retaining technique.

KeywordsGob-side entry retaining, Technical status, Scientific mining, Green mining, Development direction

(收稿日期2015-12-29)

*國家“十二五”科技支撐計劃項目(編號：2012BAK04B01)；中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金(編號：2013ZD002)。

和樹棟 (1989—)，男，助理工程師，碩士，400037 重慶市沙坪壩區上橋三村55號。

·采礦工程·