常文超,王宇涵,李康文

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

1 概述

煤炭是我國主要的能源和重要的工業(yè)原料。長期以來，煤炭作為我國的主要能源，有力的支撐了國民經(jīng)濟(jì)和社會的平穩(wěn)較快發(fā)展。近年來，雖然煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中比重會有所下降，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題，若不提高回收率，我國將不得不大面積開采非綠色煤炭資源，勢必帶來安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的問題[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，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，以沿空留巷為代表的無煤柱開采方式解決了煤炭開采回收率低的問題，是煤炭開采的重要發(fā)展方向。

2 沿空留巷技術(shù)關(guān)鍵問題分析

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)鍵的問題。

3 傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)

3.1 被動支護(hù)沿空留巷技術(shù)

被動支護(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)，即對動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，通過充填體來支撐巷道頂板，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)鍵問題分析

二次沿空留巷時(shí)，由于采空區(qū)上覆巖層的活動更加激烈，對巷道的影響也最大。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期使用的要求是最為重要的。基于對二次沿空留巷的全過程分析，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)到長期使用的目的，應(yīng)在留巷初期即二次留巷初期對巷道進(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)

隨著我國煤炭開采量和需求量的不斷增加，我國部分地區(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，使得深部開采與淺部開采具有非常明顯的區(qū)別，即深部開采處于“三高一擾動”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”是指采礦擾動[5]。

在深部巖層進(jìn)行開采時(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)模上比淺部開采大的多。因此，深部采煤時(shí)，如何保持巷道圍巖的長期穩(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)劇烈這一重要問題，中國礦業(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填滿采空區(qū)，進(jìn)而減弱或消除老頂周期來壓對巷道圍巖穩(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，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)何滿朝院士經(jīng)過多年的刻苦研究，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，其體積會比破碎前增大的性質(zhì)稱為巖石的碎脹性。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)老頂周期來壓對留巷圍巖的擾動作用，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)頂板仍會對留巷頂板產(chǎn)生聯(lián)系，這會導(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)，頂板懸臂長度也會增加，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

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采中采掘接替緊張的問題，大大提高了生產(chǎn)效率，目前已經(jīng)在我國很多煤礦中得到應(yīng)用。

2)隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采逐漸向深部擴(kuò)展，如何在深部巖層使用沿空留巷技術(shù)進(jìn)行煤炭開采已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的重要問題。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采應(yīng)用沿空留巷技術(shù)的可行性，而且已經(jīng)在我國多個(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。