李德中,王賽騫（山西華晟榮煤礦有限公司,山西　長治　046000）

我國煤礦沿空掘巷研究進(jìn)展

李德中,王賽騫
（山西華晟榮煤礦有限公司,山西長治046000）

摘要：我國煤炭資源豐富，是一個產(chǎn)煤大國。為提高煤炭采出率，國內(nèi)外開展了針對沿空掘巷的研究，本文從巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理及巷道圍巖控制兩方面介紹沿空掘巷的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步研究提供方向。

關(guān)鍵詞：沿空掘巷；圍巖穩(wěn)定機(jī)理；巷道圍巖控制

煤炭是我國主要能源，近30年來，煤炭占我國能源的70%以上。由于煤炭是不可再生能源，因此必須盡可能合理地開采地下煤炭資源，提高煤炭采出率。自20世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)外開展了沿空留巷和沿空掘巷兩種無煤柱護(hù)巷技術(shù)的實驗研究，對無煤柱護(hù)巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了大量成果，推動了無煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展。

沿空掘巷是在上區(qū)段回采結(jié)束，采空區(qū)巖層活動基本停止，回采引起的應(yīng)力重新分布趨于穩(wěn)定后掘進(jìn)，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，采用寬度較小的煤柱和合理的支護(hù)技術(shù)可以保證巷道在掘進(jìn)及掘出后圍巖變形較小，巷道只經(jīng)歷一次采動影響，我國無煤柱護(hù)巷大部分采用沿空掘巷。

1　沿空掘巷圍巖穩(wěn)定機(jī)理研究現(xiàn)狀

沿空掘巷頂?shù)装鍡l件和工作面頂?shù)装鍡l件基本相同，特別是頂板巖層破斷規(guī)律與工作面頂板巖層破斷規(guī)律緊密聯(lián)系，國內(nèi)外大批專家學(xué)者對工作面上覆巖層活動規(guī)律和破斷特性做了大量有益的研究，分別提出S-R穩(wěn)定性原理和關(guān)鍵層等理論。

柏建彪教授和侯朝炯教授針對沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了研究，分析了綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定機(jī)理，通過建立沿空掘巷基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，對基本頂弧形三角塊穩(wěn)定性原理進(jìn)行理論分析，提出基本頂弧形三角塊由巷前穩(wěn)定狀態(tài)→掘巷期間的擾動→掘巷后的穩(wěn)定→采動期間旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)的動態(tài)穩(wěn)定過程。從理論上分析了綜放沿空掘巷外部圍巖的穩(wěn)定條件，提出基本頂弧形三角塊穩(wěn)定的主要影響因素，包括支承壓力、巷道埋深、開采厚度、圍巖力學(xué)性質(zhì)及采動影響等因素。在研究上覆基本頂穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，指出巷道錨固區(qū)內(nèi)圍巖和錨桿相互作用關(guān)系，通過采用合理沿空掘巷圍巖控制技術(shù)，使巷道頂板和兩幫錨固體形成統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能承載自身重量，同時也能限制錨固區(qū)外圍巖變形，從而保證沿空掘巷基本頂弧形三角塊在不同時期的穩(wěn)定。上工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ譃閼?yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，合理選擇窄煤柱寬度，使沿空巷道處于弧形三角塊的保護(hù)下，圍巖應(yīng)力相對較低的環(huán)境，對沿空巷道圍巖穩(wěn)定是十分有利地。

國內(nèi)外許多學(xué)者對煤柱的寬度和穩(wěn)定性做了大量的研究工作，但對煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，研究結(jié)論差別較大，合理煤柱寬度從1～5m直到20～30m不等。澳大利亞SCT巖層控制技術(shù)公司與原煤炭工業(yè)部科教司合作在東龐煤礦進(jìn)行了錨桿支護(hù)研究，認(rèn)為上區(qū)段開采后在實體煤側(cè)距離采空區(qū)13m位置存在1組裂隙，留窄煤柱沿空掘巷巷道處于該裂隙區(qū)內(nèi)，不利于巷道穩(wěn)定，因此其研究結(jié)果為煤柱寬度應(yīng)大于15m范圍。柏建彪教授和李學(xué)華教授等學(xué)者在充分研究綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定機(jī)理的基礎(chǔ)上，對合理窄煤柱寬度進(jìn)行了充分研究，認(rèn)為沿空掘巷窄煤柱合理寬度為5m左右，并成功應(yīng)用到現(xiàn)場工程實踐，取得了顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2　沿空掘巷巷道圍巖控制理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著我國煤炭資源開采力度的加大，由于沿空掘巷優(yōu)點明顯，在各大礦區(qū)得到迅速發(fā)展。沿空掘巷通常為回采巷道，考慮巷道斷面及圍巖破碎程度，可縮性U型鋼支架弊端顯著，英雌目前國內(nèi)外針對沿空掘巷圍巖通常采用工字鋼架棚和錨桿支護(hù)控制圍巖，局部破碎圍巖采用注漿加固技術(shù)保證圍巖整體完整，對沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的研究取得了頗豐的成果。

柏建彪對沿空掘巷、沿空留巷等動壓高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)進(jìn)行了充分研究，在高應(yīng)力巷道中強調(diào)高強支護(hù)的同時，保持支護(hù)系統(tǒng)的合理讓壓，保證支護(hù)系統(tǒng)的持續(xù)可承載，從而保證巷道圍巖的穩(wěn)定。通常的沿空掘巷，留設(shè)煤柱寬度為3～5m，采用錨桿支護(hù)安全高效，同時大大提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。近年來隨著各種新型材料的引入，進(jìn)一步加速了沿空掘巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

由于我國煤層地質(zhì)條件差異較大，部分礦井采用4～5m窄煤柱沿空掘巷，巷道圍巖掘進(jìn)期間收斂就難以控制，而當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步減小之后，窄煤柱幫位移和巷道底鼓均大幅減小。此時，煤柱寬度留設(shè)與錨桿支護(hù)技術(shù)存在較大的矛盾。研究認(rèn)為，沿空掘巷的理想開巷位置應(yīng)將巷道布置在采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍，一味的采用工程類比法確定窄煤柱寬度顯然不夠合理。但是，當(dāng)及時減小窄煤柱寬度后，由于窄煤柱整體穩(wěn)定性欠佳，錨桿加固破碎圍巖效果甚微，甚至影響圍巖整體穩(wěn)定，造成安全隱患。此時工字鋼架棚配合錨桿支護(hù)技術(shù)則顯得尤為重要。工字鋼架棚被動支護(hù)方式支承沿空掘巷上部邊界，保證其穩(wěn)定性，配合短錨桿主動支護(hù)方式保證巷道淺部圍巖穩(wěn)定，兩者相形亦章，共同作用，更容易保證寬度較小的窄煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定。

部分埋深較大、圍巖力學(xué)性質(zhì)較差的礦井，在采用沿空掘巷技術(shù)時，窄煤柱幫由于原生和次生裂隙發(fā)育，塑性區(qū)擴(kuò)展范圍和深度大，需采用錨注聯(lián)合支護(hù)。注漿加固破碎圍巖弱面，可顯著提高圍巖整體性能和自承能力，同時還可為錨桿支護(hù)提供更為穩(wěn)定可靠的著力點，顯著提高破碎圍巖錨桿錨固力，且錨桿支護(hù)強化的破碎圍巖強度，還可良好適應(yīng)圍巖的較大變形。另一方面，錨注聯(lián)合支護(hù)施工簡單，沿空掘巷在本工作面超前支承壓力影響下，強度及波及范圍均可有效減小，可大大減小巷道服務(wù)期間維修工作量，并顯著改善工人的勞動條件以及作業(yè)環(huán)境，保證礦井安全生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的架棚等支護(hù)形式相比，亦可省去工人的搬運、安裝、回收等體力勞動，大大減輕工人勞動強度。

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作者簡介：李德中（1981-），山西長子人，本科。