沿空留巷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

趙子輝，常 林

（陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 彬縣713500）

沿空留巷技術(shù)在煤礦開采技術(shù)體系中占有重要地位，通過采用沿空留巷技術(shù)能夠消除煤柱的留設(shè)，從而較大程度提高煤炭資源回收率，進(jìn)而延長礦井服務(wù)年限，還可以緩解采掘銜接矛盾，消除巷道上隅角瓦斯聚集現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)〔1〕（見圖1）。沿空留巷技術(shù)具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

圖1 沿空留巷Y型通風(fēng)示意

在薄及中厚煤層工作面中，沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛〔2〕。沿空留巷巷道需要經(jīng)歷兩次采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)程度強(qiáng)烈，巷道維護(hù)具有較大難度，在一些條件較為復(fù)雜的中厚煤層或大斷面巷道中應(yīng)用仍較為困難〔3〕。

1 沿空留巷技術(shù)的發(fā)展過程

自20世紀(jì)50年代，礦業(yè)系統(tǒng)開始了對沿空留巷技術(shù)的研究與應(yīng)用，其主要經(jīng)歷如下幾個(gè)階段：

第一階段，沿空留巷技術(shù)最初主要在薄煤層中應(yīng)用實(shí)施，主要采取矸石墻為巷旁支護(hù)，木棚作為巷內(nèi)支護(hù)的支護(hù)方式。存在矸石變形量大，難以與巷道支架適應(yīng)，支架受損破壞嚴(yán)重，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工安全系數(shù)低等問題，嚴(yán)重限制了沿空留巷技術(shù)的推廣應(yīng)用。

第二階段，在中厚煤層成功應(yīng)用實(shí)施沿空留巷技術(shù)，巷旁支護(hù)選取密集支柱、木垛等材料，巷內(nèi)支護(hù)廣泛采用木棚、工字鋼梯形支架，促進(jìn)了沿空留巷技術(shù)的發(fā)展。

第三階段，隨著綜采技術(shù)在煤炭開采行業(yè)的廣泛應(yīng)用，煤炭開采效率得到大幅提高，同時(shí)巷道頂?shù)装逡平恳苍谙鄳?yīng)增加，這就要求巷旁支護(hù)具有更大的支護(hù)阻力，巷內(nèi)支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度也需要提高。在此階段，沿空留巷技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在高水材料的研究應(yīng)用，高水材料具有一定的可縮性和較強(qiáng)的支護(hù)阻力，能夠與較大的頂板下沉量相適應(yīng)，高水材料的出現(xiàn)為沿空留巷技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)（見圖2）。

圖2 高水材料沿空留巷工藝

第四階段，伴隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展以及巷旁充填技術(shù)的逐步改進(jìn)，沿空留巷技術(shù)在一些厚煤層工作面也得到成功運(yùn)用。目前的巷旁充填材料具有增阻速度快、支護(hù)強(qiáng)度大、充填效率高等優(yōu)點(diǎn)，這些都有效地解決了沿空留巷實(shí)施過程中的一些技術(shù)難題。

2 沿空留巷理論的研究方法

沿空留巷技術(shù)作為礦業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要分支，其研究與礦業(yè)工程的工程設(shè)計(jì)以及科研水平密切相關(guān)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在國民生產(chǎn)各方面的廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬技術(shù)在礦業(yè)工程理論研究過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在礦業(yè)工程領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、有限差分法、離散元法等。這些方法根據(jù)其特點(diǎn)及適用條件，在礦業(yè)工程學(xué)科中對于巖層運(yùn)移規(guī)律及巷道圍巖控制的研究得到不同程度的應(yīng)用。實(shí)踐表明，這些方法都能夠很好地模擬以及解決礦業(yè)工程中遇到的技術(shù)問題，但是在實(shí)際應(yīng)用中要注意根據(jù)本身的研究內(nèi)容選擇合適的數(shù)值模擬方法。

3 沿空留巷技術(shù)存在的主要問題

沿空留巷技術(shù)是一項(xiàng)被廣泛認(rèn)同的先進(jìn)礦業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)，具有許多其他方法所不可比擬的優(yōu)越性，其經(jīng)歷了煤層從薄到厚、傾角逐步變大的歷程，在沿空留巷技術(shù)實(shí)施過程中，廣大煤炭工作者也積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)，這些都促進(jìn)了礦業(yè)工程沿空留巷技術(shù)的成功推廣。但是，沿空留巷技術(shù)本身存在許多技術(shù)難題，往往由于巷道圍巖難以控制、充填速度與工作面機(jī)械化推進(jìn)速度難以適應(yīng)等原因，造成留巷失敗。

1）對于不同的煤層賦存條件沒有進(jìn)行具有針對性的研究。沿空留巷技術(shù)的成功實(shí)施在很大程度上由煤層賦存條件所決定，不同的煤層賦存條件將會形成不同的圍巖活動(dòng)規(guī)律，目前沿空留巷技術(shù)的實(shí)施大多參照一些留巷成功的經(jīng)驗(yàn)，沒有根據(jù)本礦特定的頂板條件，制定具有針對性的留巷方案，這就必然導(dǎo)致在留巷過程中存在一定的盲目性，不是充填體強(qiáng)度不足導(dǎo)致留巷失敗，就是過高的充填體強(qiáng)度造成材料的浪費(fèi)。不同的煤層賦存條件所需要的合理巷旁支護(hù)阻力是不盡相同的，在具體的工程實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)制定具有針對性的留巷方案，才能保證技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理的要求。

2）留巷的方案設(shè)計(jì)缺乏綜合性。目前，在沿空留巷技術(shù)的實(shí)施過程中，往往不能將巷道掘進(jìn)過程與留巷過程結(jié)合考慮。事實(shí)上沿空留巷技術(shù)作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要實(shí)施留巷的巷道在其掘進(jìn)支護(hù)過程中就應(yīng)當(dāng)充分考慮到后期的留巷施工。應(yīng)結(jié)合留巷需要進(jìn)行合理的支護(hù)形式以及支護(hù)材料選擇，避免造成后期沿空留巷施工過程中仍需要進(jìn)行巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的施工。

3）巷道支護(hù)形式難以與留巷經(jīng)歷動(dòng)壓影響相適應(yīng)。棚式支護(hù)往往存在變形嚴(yán)重甚至破壞，導(dǎo)致支護(hù)失敗等問題，已經(jīng)很難與目前的巷道支護(hù)要求相適應(yīng)，其很難在沿空留巷技術(shù)的實(shí)施中繼續(xù)應(yīng)用。U型鋼支護(hù)成本過高，在目前的煤炭形勢下也很難得到推廣。錨桿支護(hù)技術(shù)對于本工作面的支護(hù)要求能夠滿足，但是經(jīng)常出現(xiàn)由于下一工作面的采動(dòng)影響造成支護(hù)失效的問題。因此，對于沿空留巷實(shí)施過程中的合理支護(hù)形式研究已經(jīng)迫在眉睫。

4）對于沿空留巷的理論研究尚不深入。沿空留巷由于其特殊的大變形圍巖特征（見圖3），其工程實(shí)施過程十分復(fù)雜，但是現(xiàn)有的沿空留巷理論研究尚不深入，在留巷圍巖變形規(guī)律研究過程中往往僅考慮頂板與巷旁支護(hù)體，而忽略了老頂、煤幫、支護(hù)體這三者之間的關(guān)系。在沿空留巷圍巖變形規(guī)律方面的研究大多停留在二維數(shù)值計(jì)算階段，而沿空留巷是一個(gè)復(fù)雜的三維過程，現(xiàn)有的二維模擬結(jié)果大多與圍巖實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律不符。

圖3 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型

4 對于沿空留巷技術(shù)發(fā)展的一些建議

沿空留巷技術(shù)是采煤方法的一項(xiàng)重大變革，其對于減少巷道掘進(jìn)量以及噸煤成本費(fèi)用，消除由于煤柱留設(shè)所造成的災(zāi)害等方面具有重要作用，因此沿空留巷技術(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)玫桨l(fā)展與應(yīng)用。針對沿空留巷技術(shù)在實(shí)施過程中所存在的問題，筆者提出以下建議：

1）加強(qiáng)對沿空留巷有重要影響的煤層賦存條件、圍巖條件的研究，對于不同圍巖條件的留巷進(jìn)行分類研究，根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)條件選擇合適的留巷參數(shù)，從而制定出具有針對性的留巷方案。在不同巷道圍巖條件下，研究各自的沿空留巷圍巖變形規(guī)律，為合理的巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度和巷旁支護(hù)方式提供理論依據(jù)。

2）在對巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮后期沿空留巷技術(shù)的實(shí)施，將沿空留巷與巷道掘進(jìn)結(jié)合為整體，共同考慮，保證掘進(jìn)過程中巷道支護(hù)與沿空留巷技術(shù)的實(shí)施相適應(yīng)。

3）積極采用錨網(wǎng)索支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)方式，錨網(wǎng)索支護(hù)作用力能夠深入巖體內(nèi)部，改變其錨固部分巖體受力，提高其殘余強(qiáng)度，與頂板的下沉相適應(yīng)，進(jìn)而維持巷道穩(wěn)定。

4）加強(qiáng)對于沿空留巷技術(shù)的理論研究。采用不同的研究方法與手段，對于沿空留巷頂板控制機(jī)理進(jìn)行深入研究，廣泛應(yīng)用三維數(shù)值模擬技術(shù)，對沿空留巷頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律深入探討，為制定合理的支護(hù)參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

沿空留巷技術(shù)能夠有效提高煤炭資源回收率，改善采煤工作面通風(fēng)狀況，消除瓦斯聚集，符合建設(shè)綠色礦山的發(fā)展方向。沿空留巷是礦業(yè)工程學(xué)科的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)當(dāng)在條件適宜的情況下廣泛應(yīng)用。

〔1〕張東升，茅獻(xiàn)彪，馬文頂 .綜放沿空留巷圍巖變形特征的試驗(yàn)研究〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（2）.

〔2〕孫恒虎，趙炳利 .沿空留巷的理論與實(shí)踐〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

〔3〕郭育光，柏建彪，侯朝炯 .沿空留巷巷旁充填體主要參數(shù)研究〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992（4）.