电力水利]21世纪无煤柱开采沿空留巷技术新进展简

电力水利]21世纪无煤柱开采沿空留巷技术新进展简内容摘要：

然上一个台阶。 优点：  留巷工艺简单可靠；  可适应大多数地层和开采条件；  可靠性高。 缺点：  不适应高瓦斯易燃煤层；  不适应部分放顶煤开采工作面； 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 15 页 20201216 1－ 15 . 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：  留巷隔离墙施工简单；  隔离墙能够很好的控制顶板下沉，支护效果好； 缺点 ：  需要 掘巷工程； . 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 2020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：  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；  复合墙体的综合承载能力相当于 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；  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；  施工方法简单可靠。 无需专业施工机具。 缺点： 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 16 页 20201216 1－ 16  需要增加巷道加固费用；  掘巷中线需要精确检测 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 17 页 20201216 1－ 17 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。 . 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 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 18 页 20201216 1－ 18 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： 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 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 1～ 3m、 ～ 和 8～ 20m 以及 30～ 50m。 (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 5～ 40m 范围内 形成的顶底板移近量可占全过程移近量的 60～ 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 19 页 20201216 1－ 19 70%，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 ～ 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%； 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 30～ 300kN 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 ～ 倍。 . 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 1530 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 31 采空区外侧煤体内矿压表现 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 20 页 20201216 1－ 20 . 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。 . 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。 . 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 图 33 沿空侧煤体在采面刚过后的矿压表现 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 21 页 20201216 1－ 21 . 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。 . 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 图 36 不同支撑强度使得顶板形成不同形式的垮落 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 错误 !未指定书签。 西安科技大学惠兴田 第 22 页 20201216 1－ 22 . 顶板力学表现 静 力平衡过程 ： 在 掘进过程中，刚暴露的。