沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的發(fā)展與展望

王 成，韓亞峰，杜澤生，武精科

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的發(fā)展與展望

王 成1，韓亞峰1，杜澤生2，武精科3

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

沿空掘巷是無煤柱護(hù)巷的主要形式，在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。但隨著采深增加，沿空掘巷仍面臨著圍巖難以支護(hù)的技術(shù)難題。介紹了沿空掘巷發(fā)展歷程，并剖析了沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制理論，主要包括：上覆巖層活動(dòng)規(guī)律、窄煤柱的穩(wěn)定性、沿空掘巷頂幫強(qiáng)化控制技術(shù)、底鼓控制技術(shù)和注漿加固技術(shù)，總結(jié)了當(dāng)前沿空掘巷圍巖控制理論研究和支護(hù)技術(shù)方面存在的問題，給出了采用更為先進(jìn)的研究方法和手段、多手段高強(qiáng)度聯(lián)合支護(hù)、直接加固沿空掘巷底板、構(gòu)建閉式承載結(jié)構(gòu)等沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的未來發(fā)展方向和前景。

沿空掘巷；窄煤柱；高強(qiáng)錨桿；閉式承載結(jié)構(gòu)

2012年，我國煤炭產(chǎn)量達(dá)到3.65Gt，井工開采量占90%以上，萬噸掘進(jìn)率按80～100m計(jì)算，巷道掘進(jìn)工程量超過20000km，其中受采動(dòng)影響的煤巷約占80%，構(gòu)成了龐大的地下空間工程。近年來，由于礦井開采強(qiáng)度提高，開采深度迅速下延，采掘關(guān)系普遍緊張，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的沿空掘巷支護(hù)更加困難，維持沿空掘巷長時(shí)穩(wěn)定成為煤巷圍巖控制的主要挑戰(zhàn)。

1 沿空掘巷的發(fā)展歷程

沿空掘巷的發(fā)展歷程可分為4個(gè)階段：

第1階段 20世紀(jì)50年代，我國已有個(gè)別礦井嘗試應(yīng)用沿空掘巷，可以說是沿空掘巷技術(shù)在我國發(fā)展的初級階段。

第2階段 20世紀(jì)60-70年代，我國已較深入研究開采引起的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，系統(tǒng)地闡明了巷道在采動(dòng)期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，深刻揭示了巷道布置與礦壓顯現(xiàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，沿空掘巷技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，部分國有重點(diǎn)煤礦開始應(yīng)用沿空掘巷。

第3階段 20世紀(jì)80-90年代末，沿空掘巷技術(shù)逐步完善，回采巷道布置和護(hù)巷方式發(fā)生了一次重大改革，沿空掘巷技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，煤柱損失大幅度下降。

第4階段 21世紀(jì)以來，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，沿空掘巷圍巖控制技術(shù)基本成熟。在大采高、復(fù)合頂板、厚層泥巖頂板、厚煤層、“三軟”煤層、薄基巖厚表土、深井綜放、高地應(yīng)力、大傾角等條件下的沿空掘巷都取得了良好的效果。

國外學(xué)者針對窄煤柱的載荷、煤柱的寬度以及煤柱和圍巖的力學(xué)性質(zhì)等方面做了大量研究[1-3]，認(rèn)為留窄煤柱沿空掘巷時(shí)巷道處于裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，受采動(dòng)影響后不能保證巷道安全，煤柱寬度應(yīng)大于15m，一般不采用沿空掘巷[4]。

2 沿空掘巷圍巖控制理論研究現(xiàn)狀

2.1 沿空掘巷上覆巖層活動(dòng)規(guī)律

沿空掘巷側(cè)向頂板巖層活動(dòng)規(guī)律對沿空掘巷穩(wěn)定性極其重要。侯朝炯、李學(xué)華、柏建彪[5-7]等提出了“大-小結(jié)構(gòu)”概念，并建立了沿空掘巷基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[5-6]。如圖1所示，巖體A、弧形三角塊B和巖塊C構(gòu)成了沿空掘巷上覆巖層的大結(jié)構(gòu)，而巷道周圍支護(hù)和圍巖形成的統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)為沿空巷道圍巖小結(jié)構(gòu)。這些都從理論上分析了沿空掘巷外部圍巖的穩(wěn)定條件。

圖1 綜放沿空掘巷與上覆巖層的結(jié)構(gòu)關(guān)系

由于沿空掘巷力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性和工程地質(zhì)條件的特殊性，工程實(shí)踐中仍存在較大問題，表現(xiàn)為4種類型的破壞型式，分別為頂板誘導(dǎo)型、煤柱誘導(dǎo)型、實(shí)體煤幫誘導(dǎo)型和底板誘導(dǎo)型，需進(jìn)一步深入研究錨桿支護(hù)機(jī)理。

2.2 沿空掘巷窄煤柱的穩(wěn)定性分析

窄煤柱穩(wěn)定性的主要影響因素有：煤柱的寬度、煤柱上的載荷、煤柱形狀及圍巖的力學(xué)特性。煤柱上的載荷取決于煤柱附近的采動(dòng)狀況和采深。煤柱的寬度決定了其穩(wěn)定性和巷道圍巖維護(hù)程度，其影響主要體現(xiàn)在：煤柱寬度決定了采空區(qū)邊緣與巷道之間的距離、采空區(qū)側(cè)向支承壓力對巷道的影響程度和煤柱上的載荷。

國內(nèi)外學(xué)者對煤柱的寬度及穩(wěn)定性做了大量的科研工作[7-10]，但對煤柱寬度的合理取值沒有達(dá)成共識，存在較大差異，目前煤柱寬度的合理取值從1～5m直到20～30m不等。張玉祥[11]對煤柱的寬度做了詳盡的分析和評述，并提出用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和智能決策系統(tǒng)確定煤柱寬度的對策。W.蓋爾[12]認(rèn)為在20MPa垂直應(yīng)力的作用下，采空區(qū)側(cè)煤體塑性區(qū)的寬度為5～8m，留5m左右的窄煤柱無法保證煤柱穩(wěn)定和巷道安全。

近年來，隨著高強(qiáng)度錨桿支護(hù)系統(tǒng)和預(yù)應(yīng)力錨索的廣泛應(yīng)用，支護(hù)對圍巖穩(wěn)定狀況的影響顯著增大，研究窄煤柱的穩(wěn)定性，確定窄煤柱的寬度，應(yīng)考慮支護(hù)的作用。柏建彪、侯朝炯[13]通過理論分析和數(shù)值計(jì)算，在探究窄煤柱的穩(wěn)定性與煤柱寬度、圍巖力學(xué)性質(zhì)及錨桿支護(hù)強(qiáng)度之間的相互作用關(guān)系時(shí)，提出一個(gè)新觀點(diǎn)，即采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的窄煤柱在沿空掘巷圍巖承載結(jié)構(gòu)中起著重要支撐作用，改變了以往認(rèn)為窄煤柱支撐能力極小的觀點(diǎn)。侯朝炯、勾攀峰[14-15]提出了錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論，認(rèn)為：錨桿與圍巖相互作用，形成錨桿-圍巖的共同承載結(jié)構(gòu)體，使窄煤柱殘余強(qiáng)度顯著提高，自承能力成倍增強(qiáng)。該理論加深了對錨桿支護(hù)機(jī)理、錨桿與圍巖相互作用關(guān)系的認(rèn)識，推動(dòng)了困難條件下沿空掘巷錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)步，對進(jìn)一步開展沿空掘巷錨桿支護(hù)理論研究具有指導(dǎo)意義。

3 沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

20世紀(jì)90年代以前，對于中厚煤層的沿空掘巷多用金屬支架維護(hù)，主要使用礦用工字鋼梯形支架和U型鋼拱形可縮支架，這2種支護(hù)方式屬被動(dòng)支護(hù)，支架支護(hù)強(qiáng)度較低，折損嚴(yán)重，支護(hù)效果相對較差。隨著煤礦生產(chǎn)集中化程度的提高，大型設(shè)備的應(yīng)用，采高顯著增加，巷道斷面擴(kuò)大，金屬支架已不能滿足巷道支護(hù)要求。20世紀(jì)90年代后高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)得到快速發(fā)展，使得沿空掘巷越來越依賴于錨桿支護(hù)技術(shù)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的沿空掘巷采用錨桿支護(hù)也取得了顯著效果，如迎采動(dòng)工作面留窄煤柱沿空掘巷、孤島工作面留窄煤柱沿空掘巷、綜放工作面留窄煤柱沿空掘巷[16-19]。

3.1 沿空掘巷錨桿支護(hù)技術(shù)

3.1.1 頂幫強(qiáng)化控制技術(shù)

沿空掘巷頂?shù)装?、兩幫是有機(jī)統(tǒng)一的整體，尤其是窄煤柱和頂板強(qiáng)度小、破碎，承載能力小、穩(wěn)定性差，而且圍巖具有大變形的特點(diǎn)，所以錨桿支護(hù)強(qiáng)度、預(yù)緊力、錨固長度及合理的錨桿支護(hù)技術(shù)對保持該類巷道圍巖穩(wěn)定至關(guān)重要。頂幫控制技術(shù)主要有以下4個(gè)方面：

(1)新型“三高”錨桿支護(hù)體系，即高強(qiáng)度、高剛度和高預(yù)緊力錨桿支護(hù)體系 在基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)、變形和下沉的過程中，支護(hù)體與圍巖性的小結(jié)構(gòu)要適應(yīng)上覆巖層大結(jié)構(gòu)的給定變形，保證錨固體具高強(qiáng)度、高剛度，使破碎圍巖殘余強(qiáng)度得到強(qiáng)化[20]，承受更大的載荷，有效控制沿空掘巷圍巖變形。高預(yù)緊力可以提高破碎圍巖的力學(xué)參數(shù)，改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和節(jié)理裂隙的張開，防止圍巖強(qiáng)度過早弱化，提高其承載能力，實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)作用。

(2)樹脂藥卷全長錨固或加長錨固 由于沿空掘巷的圍巖都較為破碎，采用端頭錨固方式，錨固力會(huì)急劇下降，喪失支護(hù)能力，而采用全長錨固或加長錨固，可提高錨桿錨固力。為保證破碎圍巖的錨桿錨固力，所以應(yīng)采用全長錨固或加長錨固。

(3)小孔徑錨索加強(qiáng)支護(hù) 如果錨固體外煤體發(fā)生較大離層，達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致頂板垮落，為了防止冒頂事故，可以采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)。

(4)加強(qiáng)護(hù)頂護(hù)幫能力 頂幫圍巖較為破碎，為防止錨桿之間煤巖體冒落和窄煤柱片幫，應(yīng)采用一些輔助支護(hù)措施，如鋼筋梯子梁與金屬網(wǎng)配合，梁和網(wǎng)具有較大的強(qiáng)度，能提供可靠的護(hù)表能力，保證圍巖有較高的穩(wěn)定性。

3.1.2 底鼓控制技術(shù)

沿空掘巷的兩幫為軟弱煤體，而且一側(cè)為窄煤柱，直接影響到底板的穩(wěn)定性。沿空掘巷底鼓的控制技術(shù)為：

(1)強(qiáng)化頂板支護(hù)，保持頂板整體的完整性，將頂板壓力向?qū)嶓w煤幫深部轉(zhuǎn)移，減小實(shí)體煤幫淺部載荷，從而減小底板載荷。

(2)加固巷道幫、角，尤其是實(shí)體煤側(cè)幫、角可有效地控制回采巷道底鼓。加固實(shí)體煤側(cè)幫、角后，提高了底板的抗拉強(qiáng)度，增加了實(shí)體煤側(cè)底板的圍壓，使實(shí)體煤層底板不易被破壞，同時(shí)阻止了向巷道內(nèi)的塑性流動(dòng)[21]。

3.2 注漿加固技術(shù)

采用注漿加固沿空掘巷破碎圍巖，能顯著提高破碎煤巖體的殘余強(qiáng)度，能有效抑制錨桿錨固力隨圍巖變形量增大急劇衰減[22]。注漿加固與錨桿支護(hù)共同作用，顯著提高了頂幫破碎煤巖體的變形能力。另外，注漿加固窄煤柱也可封閉采空區(qū)，防止采空區(qū)積水軟化煤巖體，降低窄煤柱強(qiáng)度，阻止瓦斯等有害氣體涌出，避免窄煤柱漏風(fēng)造成上區(qū)段采空區(qū)遺留煤炭自燃。注漿加固技術(shù)顯著改善破碎圍巖巷道維護(hù)的狀況，現(xiàn)階段使用的注漿材料主要有：化學(xué)類的丙烯酰胺類、聚氨脂類；水泥類的單液水泥漿和水泥、水玻璃雙液漿；ZKD高水速凝材料。

4 存在的問題及建議

目前，我國在沿空掘巷技術(shù)的應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，從薄煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都取得了顯著的效果。但是，由于我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，在沿空掘巷技術(shù)研究與應(yīng)用中仍存在著不足之處，沿空掘巷圍巖控制理論研究和支護(hù)技術(shù)方面還存在一定問題。

(1)基本頂弧形三角塊的回轉(zhuǎn)下沉及穩(wěn)定狀況直接決定沿空掘巷的穩(wěn)定性。在工作面采動(dòng)影響后，弧形三角塊結(jié)構(gòu)受力情況和穩(wěn)定狀態(tài)更為復(fù)雜，目前對基本頂弧形三角塊穩(wěn)定性研究較少，應(yīng)對沿空掘巷上覆巖層活動(dòng)規(guī)律、弧形三角塊結(jié)構(gòu)在采掘不同時(shí)期的運(yùn)動(dòng)狀況和巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，揭示沿空掘巷在不同階段的應(yīng)力分布規(guī)律和變形特點(diǎn)。

(2)窄煤柱是沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到沿空掘巷的穩(wěn)定。確定窄煤柱的合理寬度是保證窄煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，國內(nèi)外學(xué)者對煤柱的合理寬度還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，有待于對采煤工作面沿傾斜方向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及沿空掘巷圍巖變形、破壞規(guī)律進(jìn)行深入研究。

(3)沿空掘巷圍巖破碎、強(qiáng)度低、應(yīng)力復(fù)雜，錨桿支護(hù)強(qiáng)度及錨固體厚度成為影響巷道圍巖穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。在采動(dòng)影響后，錨固體處于破碎區(qū)和塑性區(qū)內(nèi)，其穩(wěn)定性對錨桿支護(hù)強(qiáng)度及錨固體厚度更加敏感。目前，對破碎煤巖體和兩個(gè)自由面的窄煤柱采用錨桿支護(hù)的錨固機(jī)理研究較少，需進(jìn)一步研究。

(4)沿空掘巷底板控制難度大，普遍采用間接加固，底板鉆錨注一體化加固技術(shù)如何在沿空掘巷中應(yīng)用，有待進(jìn)一步解決。

5 展望

井工開采中，實(shí)現(xiàn)科學(xué)開采模式依賴于井下可靠的巷道支護(hù)系統(tǒng)。針對沿空掘巷的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦的實(shí)際情況，提出如下展望：

(1)采用更為先進(jìn)的研究方法和手段，如光潛光柵監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)一步深入研究上覆巖層活動(dòng)規(guī)律、沿空掘巷樹脂錨固體力學(xué)行為及錨桿桿體承載特性和圍巖應(yīng)力分布。結(jié)合具體的工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)形式，并進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，使支護(hù)體能適應(yīng)沿空掘巷圍巖活動(dòng)規(guī)律的要求。

(2)單一的超高強(qiáng)度錨桿支護(hù)向多手段高強(qiáng)度聯(lián)合支護(hù)轉(zhuǎn)化，將高強(qiáng)度錨桿支護(hù)體系、架棚支護(hù)、注漿加固技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各種支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)，綜合應(yīng)用，滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下沿空掘巷的使用。

(3)沿空掘巷底板直接加固需要在施工機(jī)具、工藝要求尋求突破，尤其是深井厚煤層沿空掘巷，積極有效加固底板，構(gòu)建閉式承載結(jié)構(gòu)，以推動(dòng)沿空掘巷圍巖控制技術(shù)更廣泛地應(yīng)用。

在煤礦開采條件復(fù)雜、安全高效和成本節(jié)約等諸多因素挑戰(zhàn)下，沿空掘巷技術(shù)一定會(huì)有更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

DevelopmentandProspectofSurroundingRockControlTechnologybyDrivingRoadwayalongGob

WANG Cheng1, HAN Ya-feng1, DU Ze-sheng2, WU Jing-ke3

(1.Energy Science & Engineering School, Henan University of Science & Technology, Jiaozuo 454003, China; 2.Henan Provincial Coal Science Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China; 3.Mining Engineering School, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China)

Driving roadway along gob was main manner of protecting roadway without coal-pillar and was applied widely in China.With mining depth increasing, driving roadway along gob still faced technical difficult problem of surrounding rock supporting.This paper introduced development process of driving roadway along gob, and analyzed stability control theories of surrounding rock including overlying strata movement rule, stability of shallow coal-pillar, roof and wall reinforcement control technology, floor control technology and grunting reinforcement technology.Concluding problems in these theories and supporting technologies, more advanced surrounding rock control technologies for driving roadway along gob and future development and prospect were put forward.These technologies included combined supporting with high strength, reinforcing floor and structuring closed bearing structure.

driving roadway along gob;shallow coal-pillar; anchored bolt with high strength; closed bearing structure

2014-04-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.001

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304065，51274088)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012-064)。

王 成(1984-)，男，安徽含山人，博士研究生，現(xiàn)從事礦壓理論及其控制技術(shù)、深井煤與瓦斯共采方面的研究。

王 成，韓亞峰，杜澤生，等.沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的發(fā)展與展望[J].煤礦開采，2014，19(4)：1-4.

TD325

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1006-6225(2014)04-0001-04