沿空留巷的稳定性分析及应用

【摘 要】矿井沿空留巷技术是提高煤炭资源回采率的一项重要技术，能够减少煤柱损失、合理利用资源、降低成本。对沿空留巷围岩的力学特性及岩层运动基本特征进行了分析，阐述了国内主要采用的沿空留巷布置方式及应用，并进行了优缺点分析，对于沿空留巷技术的应用和发展具有促进性。

【关键词】沿空留巷；稳定性分析；布置方式；充填体

1 技术背景

煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是重要的战略资源。它广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域。而在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这也决定了煤炭在一次能源中的重要地位。根据国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”，显然，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。而我国的煤炭资源开采普遍存在几大突出性问题，表现为：开采过程中煤炭资源浪费严重、煤炭资源综合利用率低、煤炭行业产业布局不合理、开采机械化程度低、原煤入洗率低、煤炭开发所带来的生态环境问题依然严峻。

提高煤炭资源采出率是煤炭开采的核心，而无煤柱开采技术是采煤方法的一项重大技术变革。无煤柱开采就是紧贴采空区，保留和维护上一区段的运输巷作为下区段的回风巷，其间不留煤柱，故称为沿空留巷，相对于传统的开采方法可以减少区段运输巷和区段回风巷之间的煤柱损失，合理利用资源，另外也可以改善巷道维护、降低巷道掘进率、减少成本，同时对避免因煤柱和丢煤等引起的井下灾害（例如突出矿井要求的无煤柱开采等）有明显的效果。

2 沿空留巷岩层运动基本特征及稳定性分析

沿空留巷和回采面均位于采空区边界和煤体的交界处，一方面其一侧受到煤壁和支护系统的支撑，导致顶板倾斜下沉，另一方面由于底板在高应力作用下发生塑性变形或破坏，向自由空间发生移动会造成底鼓。

2.1 沿空留巷岩层运动基本特征

采空侧顶板应力分布分为增压区、卸压区、卸压稳定区。采空侧顶板裂隙发育呈楔形偏向采空区发展，右边界以50°左右，左边界为采动影响边界线。

因此，沿空留巷技术成功的关键是保证顶板沿隔离带（或充填体）外侧切顶断裂、控制充填体上方顶板的完整性及煤帮强烈位移。

2.2 沿空留巷围岩结构稳定性分析

煤层开采后采空区顶板的活动跟支护状况有关。采面过后支撑顶板会使顶板岩层折断。随着时间的推移，老顶会慢慢下沉及断裂，老顶岩层初次断裂以后，工作面继续推进会导致老顶的周期性垮落，断裂线依次出现，老顶岩层周期性断裂形成新的结构块和新的围岩结构形式，其对沿空留巷能够成功有重要作用。一般来讲，老顶端部岩梁块的旋转下沉不是巷旁支护能够抵抗的，它的运动具有一定的“给定变形”运动特点，适量的可缩量满足上覆岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时支护体被破坏，所以沿空留巷巷旁支护体要求具有一定的可缩性；同时为了保持直接顶的平衡，还要求其具有一定的切顶能力，把直接顶沿着支护体采空区外侧及早切断，使更上位岩层得到采空区冒落矸石的支撑，保持巷道顶板的完整性。因此，沿空留巷支护体应具有足够的支护强度及适量的可缩量。

沿空留巷的直接顶与巷道是直接接触关系，老顶通过直接顶对巷道发生作用，而上部岩层运动则要通过老顶和直接顶才能影响到巷道。其中，老顶的赋存状态和断裂特征在巷道上覆岩层与巷道发生作用过程中起着关键性作用。老顶及其上部载荷岩层垮落后形成的平衡结构定义为沿空留巷上覆岩体大结构，该结构的稳定性与其下位支承体的稳定性密切相关，沿空留巷围岩变形受“大结构”稳定性的影响很大。而巷道周围锚杆与围岩组成的锚固体以及充填结构体等定义为小结构，其稳定性取决于外层结构产生的力学环境和巷道支护结构的适应性，小结构稳定对大结构也有影响。

沿空留巷覆岩结构关系

工作面采用区段下行式开采，上区段回采后，基本顶沿倾斜方向破断，在工作面端头形成“三角块大结构”，该结构构成沿空留巷的上部边界，对沿空巷道稳定性产生重要影响。其结构稳定主要受直接顶的厚度和岩性影响，主要取决于围岩强度、应力状况及支护与围岩的相互作用，与是否留巷关系不大。

沿空留巷三角块大结构

一般来说，充填墙体强度较高，煤层强度相对较低，在压力作用下系统两支点变形不协调，强度相对较低的煤帮会发生强烈位移，顶板也会发生回转变形和下沉。因此通过加强支护，控制煤帮强烈位移是控制沿空留巷变形的关键之一。另外巷道顶板在支承压力的作用下，一般已比较破碎，刚度和强度都比较低。如果顶板破碎到一定程度，整个支承体系将失去意义，巷道被破坏并难以继续使用，留巷不能实现。因此，保障支护体上方顶板相对完整是沿空留巷的另一关键。因此，在沿空留巷系统内，巷旁支护和煤帮要承受在较大的应力作用，沿空留巷成功的关键就是要提高巷旁支护和煤帮的强度，即提高巷旁支护和巷内支护的强度并协调匹配，从而使系统整体强度增强，以适应采动影响，使其在动压作用后仍能继续使用。

3 沿空留巷主要布置方式及应用

根据沿空留巷的力学特征及支护技术，其一般适用于开采缓倾斜和倾斜煤层，厚度在2米以下的薄及中厚煤层。主要的布置方式及应用为：矸石条带、密集支架、预制砌体隔墙、现浇混凝土隔墙、封闭注浆砌筑技术、膏体充填、高水充填等。

3.1 矸石条带（矸石堆垛）

随着回采工作面的推进，在区段运输巷巷道上帮靠近采空区处砌筑约5m宽的矸石带，以便维护区段运输巷。

优缺点分析：该方法看似简单经济，虽然其可缩量大，可达30%～40%，但无初撑力，顶板压力将全部由巷道内的支架所承担，同时由于矸石墙下沉量大，起不到切顶作用，不能及时有效支撑顶板，容易造成顶板过量下沉，不利于支护，导致工作面难以回采，同时会消耗大量的人力，而且隔离效果很差，因此适应面很小。

3.2 密集支架（或密集支柱）

在巷道靠近采空区一侧，支设密集支架，以便维护区段运输巷。

优缺点分析：由于支护材料品种多，工作量大，支护效果差，采空区隔离效果差（不能有效隔离采空区瓦斯和水）等问题现在很少应用。主要应用到一些采面地压相对较小并且煤层赋存条件较好的无自然发火的瓦斯矿井。

3.3 预制砌体隔墙

在巷道靠近采空区一侧，利用在地面预制好的砌体用水泥等进行砌筑或直接装配，形成隔离墙。

优缺点分析：预制砌块能够保证最佳混凝土效果，也能提供足够的被动初撑力，形成一道隔离采空区的密闭墙体，保证沿空留巷的安全性。但运输施工不便，仍不能解决墙体与顶板的接顶问题，也不能可靠密封，往往会造成顶板过量离层使得支护效果不佳。

3.4 现浇混凝土隔墙

在巷道靠近采空区一侧，采用架设模板并往里浇筑混凝土形成充填带。

优缺点分析：承载力高，安全可靠，适应性广。但施工复杂、同时由于现浇混凝土需要较长时间（约28d）才能达到最终强度，其强度上升速度不能保证任何情况下完全满足回采动压的需要，不能适应高产高效矿井工作面，另外漏浆问题和钢模板墙体接顶问题依旧存在。

3.5 封闭注浆砌筑技术

在巷道靠近采空区一侧，将砌体干砌到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构，然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构。

优缺点分析：集合了预制砌体隔墙和现浇混凝土隔墙两种技术，具有两种技术的优点，预制砌块作为隔墙高强内核骨架使得隔离墙具有早期高强度，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既有严密的封闭性又能够及时贴顶支护。成本低廉，工艺简单，效果直观，可靠性较好。但同样面临运输施工不便的问题。

3.6 膏体充填

在巷道靠近采空区一侧，采用天然的或人工硬石膏（硫酸钙），与速凝水泥作刚性充填带，也有采用煤矸石、粉煤灰、胶结料等制作的特殊“混凝土”通过混合搅拌上充填运输机进行充填并挤压强化作充填带。

优缺点分析：由于其强度较大，能够较好的支撑顶板、维护巷道、隔离采空区等，对减少自然发火危险和改善通风状况有利，同时也能实现固体废弃物的有效利用，节能减排。但其充填工艺控制要求高、充填系统费用较高，在国内尚未广泛使用。

3.7 高水充填

在巷道靠近采空区一侧，构筑巷帮充填体形成巷帮支护带，采用高水速凝材料（ZDK）进行充填。

优缺点分析：通过调整水灰比或高水速凝材料配比调整充填体的强度，具有较强的初撑力、增阻速度快、具有良好的密闭性能、隔绝采空区效果较好、充填系统和工艺简单、易于远距离输送，适合大规模沿空留巷。但其支护强度较难适应沿空巷道的高压突变性、材料成本很高、充填设备较多。

4 结语

目前，对于沿空留巷技术的认识比较统一，布置方式比较多样。基于上述叙述，封闭注浆砌筑技术、膏体充填和高水充填由于其初撑力大、支护强度好、能有效隔离采空区等优点，将会成为沿空留巷技术今后发展的重点。对于新材料的研发和使用，以及倾斜急倾斜厚煤层的适用还需要进一步讨论。

参考文献：

[1]孙春东，冯光明.新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术[J].煤矿开采，2010（01）.

[2]贾志军.沿空留巷技术及其应用[J].科技咨询，2012（01）.

[3]杨小凤.我国沿空留巷围岩控制技术现状[J].煤炭技术，2013（07）.