[科普中國]-沿空留巷

沿空留巷（gob-side entry retaining）采煤工作面后沿采空區(qū)邊緣維護原回采巷道。為了回收傳統(tǒng)采礦方式中留設(shè)的保護煤柱。采用一定的技術(shù)手段將上一區(qū)段的順槽重新支護留給下一個區(qū)段使用。這種留巷的做法是沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷。沿空留巷可以最大限度回收資源。避免煤體損失。

介紹國外代表上世紀(jì)60年代英國、德國開始采用。這些發(fā)達國家非常重視這種一次性能源的開采。分別采用前進式和后退式的工作面沿空留巷方法以實現(xiàn)無煤柱開采?；酒占盁o煤柱開采。國外主要以無機有機混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)骨架實施沿空留巷隔墻。我國上世紀(jì)70年代引進使用，那時候因為經(jīng)濟基礎(chǔ)等因素影響，所采用的方法都沒有廣泛適應(yīng)性。后期出現(xiàn)的“高水材料”成本過高、強度和耐久性不足、特別是沒有掌握礦山壓力規(guī)律，從根本上扭轉(zhuǎn)巷道維護困難的局面而沒有得到推廣。

我國典范實踐證明，無煤柱開采方案實踐可有效地控制瓦斯爆炸、沖擊地壓等相關(guān)事故的發(fā)生。通過對巖層運動和礦山壓力發(fā)展變化規(guī)律的研究，正確的進行巷道礦壓控制設(shè)計以及解決好巷道掘進和維護期間老塘透風(fēng)問題，完全能夠控制原煤柱護巷方案產(chǎn)生的重大事故。

在掌握了沿空留巷的內(nèi)在本質(zhì)的基礎(chǔ)上，西安科技大學(xué)惠興田課題組認(rèn)真分析沿空留巷研究成果。專注于及時和高強兩方面兼顧上上下功夫。在此基礎(chǔ)上研究并發(fā)明了封閉模鑄砌體結(jié)構(gòu)。這種隔墻技術(shù)由于采用預(yù)制混凝土技術(shù)作為隔墻高強內(nèi)核使得隔離墻具有早期高強度，以注漿技術(shù)的密閉和充填性作為支護的及時性可以保證砌體墻體既有嚴(yán)密的封閉性又能夠及時貼頂支護。這種技術(shù)一次解決了現(xiàn)有混凝土隔墻技術(shù)無法解決的及時性和高強度問題。而且成本遠遠低于一般泵送混凝土的成本。

對沿空留巷具有代表意義的專利技術(shù)：發(fā)明4項：礦用錨柱及預(yù)支撐錨柱網(wǎng)沿空留巷方法，一種剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)模板及其沿空留巷隔墻施工方法；可變彈性接頂模板及其施工方法；用于沿空留巷的綜合一體機及其施工方法。實用新型2項：一種沿空留巷砌筑隔離墻使用的復(fù)合模板；一種變形內(nèi)胎模板。

1.2.無煤柱開采意義

減少巷道掘進量——緩解接續(xù)緊張；

減少掘進隊——節(jié)約大量掘進費用；

去掉區(qū)段煤柱——延長礦井壽命，提高社會效益

上世紀(jì)沿空留巷技術(shù)方案缺陷阻礙了該項技術(shù)實施近十年混凝土技術(shù)的成熟為沿空留巷打下良好基礎(chǔ)

推行無煤柱開采，不僅對生產(chǎn)礦井進行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系和延長礦井壽命具有現(xiàn)實意義，而且也是使煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，增產(chǎn)、增盈減虧的主要途徑之一。根據(jù)我國的實踐經(jīng)驗和當(dāng)前的技術(shù)水平，推行的無煤柱開采護巷分為沿空留巷、沿空掘巷。其中沿空留巷這種無煤柱護巷方式有5種形式。各礦應(yīng)該根據(jù)具體情況選用合適合理的方案。大多數(shù)情況下對于條件適合的礦井都應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用留巷形式實施無煤柱開采。

采礦經(jīng)歷上世紀(jì)60年代世界一些主要產(chǎn)煤國家為了達到少掘巷道、增加煤炭資源回收率、增加生產(chǎn)的連續(xù)性和提高礦井的經(jīng)濟效益目的，而采用往復(fù)式“Z”形開采，前進式和后退式的工作面沿空留巷方法以實現(xiàn)無煤柱開采。對沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護形式及新型支護材料等都進行了大量研究。在這方面做得較多的是前蘇聯(lián)、德國、英國、波蘭等國家。這些發(fā)達國家非常重視這種一次性能源的開采。

我國從薄煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗。但是，在沿空留巷研究與應(yīng)用中仍存在著不足之處，使得一些礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)中沒有取得預(yù)期的效果，并限制了沿空留巷技術(shù)在我國更廣泛的推廣。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國一些礦區(qū)在沿空留巷方面取得了可喜成績。一些礦井取得了非常客觀的經(jīng)濟效益。

沿空留巷技術(shù)正處在一個急速起步的黃金時代。

技術(shù)現(xiàn)狀在幾十年的研究應(yīng)用中，該領(lǐng)域的成功與失敗并存，我們

分析這些經(jīng)驗歸結(jié)如下：

1、密集支架形式基本不可取

沿空留巷在上世紀(jì)研究初期基本上都是以支架形式完成。那時候各種支架形式的應(yīng)用曾經(jīng)解決過許多回采工作面的無煤柱采煤問題。但都是應(yīng)用到一些采面地壓相對較小并且煤層賦存條件較好的無自然發(fā)火的低瓦斯礦井。而且應(yīng)用情況也不能令人滿意。

這種方式因為支護材料品種多，工作量大，支護效果差，采空區(qū)隔離效果差等問題很少應(yīng)用。

2、矸石堆垛方式應(yīng)該淘汰

矸石堆垛法是一種看似簡單經(jīng)濟的做法，但因為該方法不能達到及時有效支撐頂板，容易造成頂板過量下沉導(dǎo)致巷道不利于回采工作。這種方式雖然材料單價低，但會消耗大量的人力，而且隔離效果很差，因此適應(yīng)面很小。一些好的方法的出現(xiàn)會加速這一方法的淘汰。

3、砌體墻法存在缺陷

采用預(yù)制塊砌墻可以克服上述2.1和2.2節(jié)所述密集柱和矸石堆垛的許多缺陷，能夠基本形成一道隔離采空區(qū)的密閉墻體。但該方法還是不能解決墻體與頂板的接頂問題，往往會造成頂板過量離層使得支護效果不佳。應(yīng)該在此基礎(chǔ)上進行改進。2.4. 高水材料巷旁充填沿空留巷是主流的留巷方式 隨工作面在采空區(qū)所在一側(cè)構(gòu)筑巷幫充填體形成巷幫支護帶。高水材料可以通過調(diào)節(jié)水灰比改變充填體抗壓強度可以滿足多種強度要求的工程需要，可以提供較大的初期支護阻力、增阻速度快，能夠適應(yīng)頂板的下沉并保證巷道較好的維護效果，而且具有很高的機械化程度，構(gòu)筑的巷旁充填體具有良好的密閉性能、隔絕采空區(qū)效果較好；該材料制作的漿液單獨存放24h不凝固，易于遠距離輸送，非常適合進行大規(guī)模沿空留巷。

4、現(xiàn)澆混凝土隔墻法實踐證明較好

經(jīng)過數(shù)年實踐證明，混凝土墻體雖然有價材料用量大。但該方法適應(yīng)性廣，承載力高，能夠形成足夠的切頂強度，安全可靠。已經(jīng)被廣泛接受。

混凝土墻的缺點在于其比較高的工程費用和施工的復(fù)雜性以及強度上升的速度不能適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井工作面。還有一些施工方法不能保證墻體及時緊密貼頂。這種技術(shù)方案的施工方法主要有：

5、大型自移式沿空留巷充填支架

該支架大大提高了沿空留巷的安全性，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，支架獨立性、靈活性強、適應(yīng)性以及安全性強，使用效果好。

缺陷：混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后不能緊貼頂板，導(dǎo)致頂板離層，增加了留巷維護費用。

桶柱方式巷幫支護法

桶柱間距為1.4一1.8米，桶柱施工數(shù)量少，降低了工作量，施工速度快，減少了對工作面生產(chǎn)的影響，保障了工作面的正常推進，桶柱內(nèi)混凝土的標(biāo)號到300#，其試件抗壓極限強度為30Mpa“，直徑為600一660mm的混凝土桶柱的最大支撐力可以達到976OkN。但封閉采空區(qū)不方便。效果比整體混凝土墻體差。

膏體混凝土

膏體混凝土,其主要成分是硅酸鹽水泥、砂、粉煤灰及膏體混凝土外加添加劑。凝固速度快、早強的特制充填體,其最大強度能達到2 MPa。充填體寬2.5 m,高3.4 m。

這種方法的優(yōu)點是膏體狀便于施工。缺點是強度和采礦關(guān)系的不協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致材料用量大很多。

支護技術(shù)

柔模支護技術(shù)由西安科技大學(xué)王曉利教授研發(fā)而成。成功應(yīng)用于10余礦，已經(jīng)正在推廣應(yīng)用。將此技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下作為充填墻體是煤礦技術(shù)的進步。柔模泵注混凝土沿空留巷支護技術(shù)通過省級科技成果鑒定，達到國際領(lǐng)先水平，并享有多項發(fā)明專利。這一技術(shù)的應(yīng)用使得現(xiàn)澆混凝土技術(shù)在沿空留巷的施工工藝得到簡化。

技術(shù)分析沿空礦壓特點

實際上礦壓的演化在采空區(qū)側(cè)煤體內(nèi)是一個隨時間和距離變化的函數(shù)。

沿空巷道是處在采面后側(cè)。位于采礦區(qū)后側(cè)的煤體內(nèi)礦壓是空間和時間的函數(shù)。

從縱向空間的觀察來看，工作面后側(cè)煤體順沿空巷道向后煤體中礦壓的變化是距離的函數(shù)。從以往的研究成果看，采面后側(cè)15-30米是礦壓急劇上升區(qū)域。

從橫向觀察來看，采空區(qū)外側(cè)煤體礦壓分布是采空區(qū)外側(cè)煤體內(nèi)礦壓表現(xiàn)

沿空側(cè)煤體在采面剛過后的礦壓表現(xiàn) 以時間的觀點來看，煤體中的每一點要經(jīng)受超前壓力、采動礦壓和采面過后又一次老空垮落礦壓。

沿空巷道礦壓分析

作為沿空留巷的最為關(guān)鍵的是研究支撐隔離帶上部頂板的礦壓特征，以確定合理的支護形式和支護強度。研究留巷頂板的礦壓特征以確定合理的順槽初期支護方案和支護參數(shù)。

沿空巷道頂部要經(jīng)受礦壓分布，掘進動壓，回采超前動壓外，更嚴(yán)重的是要經(jīng)受回采后側(cè)礦壓的又一次劇變動壓后保持穩(wěn)定性。一般順槽在經(jīng)受回采動壓后就遭到嚴(yán)重破壞，在采空區(qū)后側(cè)采空區(qū)垮落形成的劇烈礦壓過程中徹底崩潰形成垮落。1

礦壓特征沿空隔離墻體上部頂板礦壓力學(xué)表現(xiàn)是我們設(shè)計隔離墻的基礎(chǔ)。

1、頂板宏觀表現(xiàn)

煤層開采后采空頂板的活動跟支護狀況有關(guān)。采面過后支撐頂板會使頂板巖層折斷。這一過程決定于支護方式和支護強度。

由于沿空巷道一般要經(jīng)過4次礦壓顯現(xiàn)。沿空巷道的圍巖變化是非常復(fù)雜的。頂板離層和老頂折斷理論可以方便的說明沿空巷道后支撐墻體結(jié)構(gòu)和強度對巷道穩(wěn)定性的影響。

2、頂部微觀表現(xiàn)

掘進期間穩(wěn)定平衡微量離層回采超前動壓影響 掘進支護圖 4?7 回采巷道生命周期采面采面采面2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

邱昆峰 - Research Fellow - Colorado School of Mines, USA