新型無煤柱自成巷開采成套技術(shù)與案例研究

張星宇 *，何滿潮 *，楊軍 b，王二雨 ，張家賓 b，孫躍 ba State Key Laboratory for Geomechanics an Deep Unergroun Engineering, China University of Mining an Technology, Beijing 100083, China

b School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China

c Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Colorado, Boulder, CO 80309, USA

d Institute of Mining Research, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China

中國一直以來主導(dǎo)著全球的煤炭市場，通過對(duì)未來20年全球煤炭市場的展望可知，中國仍將是全球最大的煤炭消費(fèi)國[1]。基于對(duì)國家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的觀察，到2030年，煤炭消費(fèi)仍將占一次能源消費(fèi)的50%以上[2,3]。與此同時(shí)，隨著印度和其他亞洲新興經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展與繁榮，煤炭供求將持續(xù)增長以滿足他們對(duì)電力的強(qiáng)勁需求[4]。中國作為世界上的采煤大國，其長壁開采技術(shù)的發(fā)展極大地提升了煤炭產(chǎn)量[5]。然而，煤炭資源的浪費(fèi)問題卻依然嚴(yán)重。大量的保護(hù)煤柱被遺留在井下，無法有效回收，礦井的平均資源回收率僅為50% [6,7]。在圖1（a）[8]中，一條長長的煤柱布置于采煤工作面I和II之間。隨著開采向深處發(fā)展，巷道煤柱的寬度一般將逐漸增大[9]。而且，巷道煤柱寬度的設(shè)計(jì)一直以來是一個(gè)復(fù)雜的難題[10-16]。

因此，本研究提出了一種無煤柱長壁開采技術(shù)，取消了煤柱留設(shè)。如圖1（b）[8]所示，運(yùn)輸巷II將由通風(fēng)巷I在開采過程中自動(dòng)形成。利用本文提出的技術(shù)，自動(dòng)形成的巷道可被安全穩(wěn)定地留設(shè)，為后續(xù)工作面的開采服務(wù)。如此，采面間取消了煤柱設(shè)置，資源得到了極大回收，也避免了巷道保護(hù)煤柱的設(shè)置難題。此外，下一工作面的通風(fēng)巷可隨著上一工作面的開采自動(dòng)形成。相比傳統(tǒng)的開采方法，準(zhǔn)備巷道的掘進(jìn)工作被削減一半，極大地減少了工作量，從而減小了潛在的掘進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)[17-20]。

近年來，由深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)ьI(lǐng)，無煤柱自成巷開采技術(shù)在多個(gè)工業(yè)試點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)成功實(shí)施。Guo等[21]探討了該技術(shù)在薄煤層開采中的可行性。He等[22]研究了該技術(shù)對(duì)于中厚煤層開采的適應(yīng)性。He等[23]在厚煤層快速推進(jìn)工作面進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，取得了滿意效果。He等[24]成功地將該技術(shù)應(yīng)用于深部開采。

本文系統(tǒng)地總結(jié)了無煤柱自成巷開采成套技術(shù)。首先，對(duì)技術(shù)原理進(jìn)行了分析，介紹了所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。然后結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用，分別對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用效果進(jìn)行了研究。最后，對(duì)留設(shè)巷道的穩(wěn)定性和工程效果進(jìn)行了討論。

圖1. 傳統(tǒng)開采和無煤柱開采的示意圖。（a）傳統(tǒng)開采巷道布局；（b）無煤柱開采巷道布局。經(jīng)Elsevier Ltd.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[8]，?2019。

2. 無煤柱自成巷開采技術(shù)原理

自動(dòng)形成的留設(shè)巷道將被用于下一個(gè)工作面，且在開采中無巷道煤柱遺留。由于巖層運(yùn)動(dòng)，留設(shè)巷道面臨著強(qiáng)礦壓威脅。在該開采技術(shù)中，利用三類關(guān)鍵技術(shù)保障巷道的穩(wěn)定性：恒阻大變形（CRLD）錨索、定向預(yù)裂爆破（DPB）技術(shù)和擋矸系統(tǒng)支護(hù)（BGSS）技術(shù)。如圖2所示，首先利用CRLD錨索支護(hù)巷道頂板，然后將DPB應(yīng)用于靠近開采側(cè)的巷道頂板，形成一條光滑斷裂面（預(yù)裂面）。隨著煤層采出，DPB范圍內(nèi)的頂板在礦壓作用下沿預(yù)裂面垮落。由于巖體的碎脹特性，垮落巖體碎脹堆積，補(bǔ)償了煤層的采出空間。因此，巷道上方的頂板運(yùn)動(dòng)得以有效限制。同時(shí)，通過在巷道采空側(cè)設(shè)置BGSS，采空區(qū)內(nèi)垮落巖體被整合形成天然巷幫。巷道自動(dòng)形成且被安全留設(shè)，為下一個(gè)工作面服務(wù)。這種開采方法最大限度地采出了煤炭資源，并在后續(xù)開采中減少了一半的巷道開挖量。在長壁開采實(shí)踐中，會(huì)提前開挖巷道為工作面做準(zhǔn)備。因此，在巷道開挖后，CRLD和DPB可以得到很好的預(yù)實(shí)施。開采開始后，BGSS可隨工作面的推進(jìn)在采面后方進(jìn)行同步安裝。因此，三類關(guān)鍵技術(shù)可有效實(shí)施，互不干擾，從而確保開采效率。

3. 關(guān)鍵技術(shù)

3.1. 恒阻大變形錨索

CRLD錨索由何滿潮和他的研究團(tuán)隊(duì)研制并申請(qǐng)了專利[25,26]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，CRLD錨索可在大埋深條件下吸收圍巖大變形以應(yīng)對(duì)外力響應(yīng)。錨索由恒阻體和桿體兩部分組成。如圖3 [25]所示，恒阻體由錐形單元和套筒構(gòu)成，套筒充當(dāng)錐形單元的滑軌。桿體在巖體深部注漿錨固，形成穩(wěn)定固定端。在錨固巖體的外表面，采用托盤和擰緊螺母來固定自由端。當(dāng)巖體受到外界擾動(dòng)而發(fā)生變形時(shí)，恒阻體在內(nèi)部產(chǎn)生滑動(dòng)，其滑動(dòng)距離取決于CRLD錨索自由端的長度。目前，不同規(guī)格的錨索的自由端長度為300～2000 mm [27]。圖3 [25]闡述了發(fā)生在錨索內(nèi)部滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)階段：彈性變形階段[圖3（a）]、恒阻變形階段[圖3（b）]和最終形變階段[圖3（c）]。在彈性變形階段，巖石變形所引起的軸向力小于CRLD錨索的恒定阻力，不足以激活錐形單元在套筒內(nèi)的滑動(dòng)。彈性變形很小，發(fā)生于恒阻體和桿體本身，桿體無實(shí)質(zhì)性伸長。隨著軸向力增至恒定阻力，CRLD錨索進(jìn)入恒阻變形階段。錨索在桿體伸長（即錐形單元滑動(dòng)）期間保持高恒阻。恒定阻力由錐形單元和套筒的材料組合特性所確定。目前，成功測(cè)試的恒定阻力值達(dá)到850 kN [27]。因此，在恒阻變形階段，CRLD錨索通過大量吸能抵抗了圍巖變形和破壞。當(dāng)能量完全釋放后，錨索停止伸長。此時(shí)的錨索外力已小于恒定阻力，錨固范圍內(nèi)的巖體在強(qiáng)擾動(dòng)后又達(dá)到了一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)恒阻體模型的本構(gòu)關(guān)系，研究人員建立了CRLD錨索的荷載-伸長解析關(guān)系[25]?；趯?duì)規(guī)格為16 t的CRLD錨索的計(jì)算，圖4 [25]展現(xiàn)了CRLD錨索的理論荷載-伸長曲線。在初始階段（彈性變形階段），阻力呈線性增長并伴隨著20 mm以內(nèi)的微小彈性形變。彈性變形階段的曲線遵循胡克定律：P = kx，其中P為拉伸靜荷載，k為桿體剛度，x為位移或伸長量。當(dāng)外力增大到預(yù)設(shè)的恒定阻力時(shí)，荷載曲線隨著位移的不斷增加在恒阻區(qū)內(nèi)呈周期性振蕩。期間，阻力的極大值和極小值分別為180 kN和140 kN，并保持恒定。為了觀察和進(jìn)一步了解CRLD錨索的性能，開展了相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了錨索在高恒阻條件下可吸收大變形的相關(guān)特性[28]。

圖2. 無煤柱自成巷開采原理圖。（a）留設(shè)巷道三維視角；（b）留設(shè)巷道地層模型。

3.2. 定向預(yù)裂爆破

應(yīng)用于新型無煤柱開采方法的DPB技術(shù)的技術(shù)原理，依據(jù)的是何滿潮和他的研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的雙向聚能爆破技術(shù)[29,30]。該技術(shù)旨在對(duì)具有“抗壓怕拉”特性的材料施行定向爆破。利用雙向聚能裝置，將炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量通過聚能孔轉(zhuǎn)化為點(diǎn)條狀能量射流。如圖5（a）、（b）所示，能量射流將集中拉應(yīng)力作用于炮孔的局部區(qū)域（聚能孔處），而炮孔的其他區(qū)域由于聚能裝置的保護(hù)而均勻受壓。因此，抗壓不抗拉的材料（如巖石）就會(huì)產(chǎn)生定向裂縫。在巖體中進(jìn)行爆破試驗(yàn)的效果如圖5（c）[31]所示。采用雙向聚能爆破技術(shù)，在巖體中進(jìn)行多連孔爆破。在巖體中，沿聚能方向產(chǎn)生的一條定向裂縫將這些炮孔連接起來，在其他方向則無裂縫形成。

在采礦活動(dòng)開始之前，DPB用于在留設(shè)巷道頂板和采空區(qū)頂板之間生成一個(gè)光滑的結(jié)構(gòu)面。如圖6 [8]所示，將裝載炸藥的雙向聚能裝置裝入設(shè)計(jì)在留設(shè)巷道采煤側(cè)的頂板炮孔中（即圖1 [8]所示的采后采空區(qū)一側(cè)）。成排的聚能孔沿巷道走向?qū)R。通過在裝置間設(shè)置特定間距，利用雙向聚能爆破技術(shù)可在聚能方向產(chǎn)生預(yù)裂面。DPB實(shí)現(xiàn)了留設(shè)巷道頂板與采空區(qū)頂板的分離，人工控制了巷道采空區(qū)一側(cè)的垮落矸石的位置。這使得在采空區(qū)一側(cè)垮落的頂板可被用于形成巷道的巷幫。此外，DPB作為一種精細(xì)爆破技術(shù)，不會(huì)損害留設(shè)巷道的頂板完整性。

圖3. CRLD錨索工作原理[25]。（a）彈性變形階段；（b）恒阻變形階段；（c）最終形變階段。經(jīng)Elsevier Ltd.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[25]，?2014。

圖4. CRLD錨索的理論荷載-伸長曲線[25]。錨索尺寸如圖中所示（單位：mm）。ω：無阻尼自然頻率；f：靜摩擦因數(shù)；fd：動(dòng)摩擦因數(shù)；f′：等效摩擦因數(shù)；k：桿體剛度；Is：套筒彈性常數(shù)；Ic：錐形單元幾何常數(shù)；x0：彈性位移量；Δx：循環(huán)位移量。經(jīng)Elsevier Ltd.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[25]，?2014。

圖5. 定向爆破理論模型及其應(yīng)用效果[31]。（a）聚能爆破立體示意圖；（b）x-z平面上的聚能爆破作用；（c）巖體中多孔爆破效果。經(jīng)Elsevier Ltd.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[31]，?2020。

圖6. 留設(shè)巷道頂板中的DPB應(yīng)用[8]。經(jīng)Elsevier Ltd.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[8]，?2019。

3.3. 擋矸系統(tǒng)支護(hù)

為了將采空區(qū)一側(cè)的垮落巖石材料整合為有效巷幫，研究團(tuán)隊(duì)提出了巷道采空側(cè)的巷旁擋矸系統(tǒng)支護(hù)技術(shù)。根據(jù)時(shí)空關(guān)系，垮落材料的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程存在兩種形式：垮落過程和壓實(shí)過程。在垮落過程中，落下的巖體首先對(duì)巷旁支護(hù)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊，然后在壓實(shí)過程中對(duì)巷旁支護(hù)產(chǎn)生側(cè)向擠壓。據(jù)此，對(duì)BGSS相應(yīng)設(shè)計(jì)了三部分結(jié)構(gòu)：抗沖自移結(jié)構(gòu)、滑移屈服結(jié)構(gòu)和輔助支撐結(jié)構(gòu)。BGSS的結(jié)構(gòu)布局如圖7所示?？箾_自移結(jié)構(gòu)位于端頭支架的正后方并與其相連，設(shè)置金屬網(wǎng)以分離矸石，滑移屈服結(jié)構(gòu)和輔助支撐結(jié)構(gòu)在金屬網(wǎng)外相互間隔排列。首先，垮落區(qū)的抗沖自移結(jié)構(gòu)通過增加與矸石的受力面積和其他結(jié)構(gòu)的接觸面積，將局部沖擊轉(zhuǎn)化為整體受力，從而減少了對(duì)單個(gè)結(jié)構(gòu)的沖擊影響。同時(shí)，抗沖自移結(jié)構(gòu)通過與端頭支架相連，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)推進(jìn)，可及時(shí)抵抗巖體在垮落過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊?；魄Y(jié)構(gòu)由搭接的U型鋼組成，具有出色的抗彎性能?；魄Y(jié)構(gòu)自身也可適當(dāng)產(chǎn)生滑動(dòng)，以適應(yīng)壓實(shí)過程中因頂板壓力造成的巷道垂直變形。通過調(diào)節(jié)夾具的扭矩可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的軸向承載能力。以上這些特性保證了滑移屈服結(jié)構(gòu)的完整性和可復(fù)用性。輔助支撐結(jié)構(gòu)用來抵抗預(yù)裂側(cè)的頂板壓力，以減小滑移屈服結(jié)構(gòu)所承受的軸向荷載。軸向過載會(huì)導(dǎo)致滑移屈服結(jié)構(gòu)的局部彎曲，影響結(jié)構(gòu)的抗橫向變形能力。因此，輔助支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置潛在最大化了該環(huán)境下滑移屈服結(jié)構(gòu)的抗橫向變形能力。此外，輔助支撐結(jié)構(gòu)與頂板和底板的物理接觸所產(chǎn)生的摩擦阻力，與滑移屈服結(jié)構(gòu)協(xié)同控制了矸石的側(cè)向位移。根據(jù)不同的地質(zhì)開采條件，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的配套輔助支撐結(jié)構(gòu)。液壓支柱適用于薄及中厚煤層開采，而單元支架適用于厚煤層開采，其礦山壓力作用更為劇烈。BGSS的各結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖8所示。

4. 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1. 現(xiàn)場條件

圖7. BGSS結(jié)構(gòu)布局。

圖8. BGSS的結(jié)構(gòu)分類與構(gòu)造。

技術(shù)應(yīng)用地點(diǎn)位于中國內(nèi)蒙古寶山煤礦。如圖9（a）所示，6301采面采后變?yōu)椴煽諈^(qū)，巷道煤柱遺留于6301采面和6302采面之間。本研究所提出的無煤柱開采技術(shù)應(yīng)用于6302采面的開采，6302采面的尾巷將自動(dòng)形成6303采面的頭巷，因此無煤柱遺留。6302尾巷及其上方10 m內(nèi)的頂板巖性，如圖9（b）所示。巷道高度為2.45 m，屬于半煤巖巷道（沿煤層頂部掘進(jìn)），平均埋深為60 m。開采的煤層的平均厚度為1.56 m，平均傾角為2°，屬于中厚的近水平煤層。巷道的直接頂為細(xì)粒砂巖，屬堅(jiān)硬頂板。巷道的上位頂板和底板為中等強(qiáng)度的砂質(zhì)泥巖。采面沿傾向?qū)?00 m，沿走向長890 m，因此6302尾巷的留設(shè)長度為890 m。

圖9. 采面布置及地質(zhì)條件。（a）6302采面及其相鄰采面布置；（b）留設(shè)巷道的頂板巖性。

4.2. 現(xiàn)場方法與設(shè)計(jì)

4.2.1. CRLD 支護(hù)設(shè)計(jì)

在新型無煤柱開采技術(shù)的應(yīng)用過程中，留設(shè)巷道頂板的結(jié)構(gòu)條件隨采面推進(jìn)發(fā)生著較大變化。頂板的初始狀態(tài)最為穩(wěn)定，不受任何開采擾動(dòng)。根據(jù)技術(shù)原理（見第2節(jié)），開采前應(yīng)用DPB將巷道頂板與采空區(qū)頂板分離。隨著煤層采出，由于采空區(qū)頂板垮落的時(shí)空行為，留設(shè)巷道頂板將失去開采側(cè)的煤體支撐，短暫懸掛。待巖體充分碎脹后，巷道頂板觸矸獲得自然支撐。因此，位于采空垮落區(qū)的巷道懸掛頂板在整個(gè)過程中最不穩(wěn)定。為了便于分析頂板的力學(xué)狀態(tài)，在不考慮支護(hù)條件下，建立巖梁模型，如圖10所示。巖梁在最穩(wěn)定狀態(tài)下被視為固支梁，在最不穩(wěn)定狀態(tài)下被視為懸臂梁。取長2l、高h(yuǎn)、寬1 m的頂板，分別計(jì)算兩種模型的軸撓度（υ）如下：

式中，q1和q2分別為固支梁和懸臂梁上的均布荷載；E為頂板巖體的彈性模量；μ為頂板巖體的泊松比。

在開采前的初始狀態(tài)下，頂板最大變形發(fā)生在巷道中部。采后不久，最大變形轉(zhuǎn)移到巷道邊緣的預(yù)裂側(cè)，頂板的結(jié)構(gòu)自由度增加。

基于以上分析，首先安裝CRLD錨索以保護(hù)巷道頂板。在預(yù)裂側(cè)安裝一排間距為1 m的CRLD錨索，錨索用W型鋼帶連接實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。此外，在頂板中部安裝一排間距為3 m的CRLD錨索以加強(qiáng)原有支護(hù)。如圖11所示，在原有支護(hù)基礎(chǔ)上增加了兩排CRLD錨索和W型鋼帶。由于巷道埋深較淺，礦山壓力較小，CRLD錨索的規(guī)格為阻力25 t和自由長度300 mm。

圖10. 留設(shè)巷道頂板的力學(xué)狀態(tài)演變。（a）開采前初始狀態(tài)；（b）開采后工作面頂板垮落狀態(tài)。

圖11. 留設(shè)巷道的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)。（a）頂板支護(hù)展開圖（單位：mm）；（b）現(xiàn)場場景。W型鋼帶規(guī)格：2400 mm × 280 mm × 4 mm。Φ為錨桿（索）的鋼絞線直徑。

4.2.2. DPB 設(shè)計(jì)

DPB用于分離頂板，使采空區(qū)垮落的矸石補(bǔ)償采出空間。因此，頂板中DPB的高度和角度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。首先，DPB高度H應(yīng)滿足以下條件：

式中，m為開采高度；kb為頂板巖體的碎脹系數(shù)；θ為DPB角度。

DPB角度的設(shè)置是為了使DPB范圍內(nèi)的頂板巖體有效快速地垮落，以便垮落的巖體材料變?yōu)橄飵颓铱裳杆俚刂螒冶蹘r梁?？迓鋷r體材料的形成在于DPB范圍內(nèi)的頂板巖體發(fā)生了滑動(dòng)失穩(wěn)。根據(jù)砌體梁失穩(wěn)原理[32]，當(dāng)相互作用的巖塊發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，有：

式中，φf為巖石摩擦角；h0為巖塊高度；ΔS為巖塊旋轉(zhuǎn)下沉值；L為巖塊的長度。

將現(xiàn)場相關(guān)的地質(zhì)參數(shù)代入式（4），其中，φf= 30°、h0= 3.78 m、ΔS= 1.6 m、L= 15.5 m，可得θ≥ 14.28°。角度越大，所需的DPB長度越長。實(shí)際的DPB長度確定為15°。因此，根據(jù)式（3）可得H≥ 4.73 m，其中，m= 1.6 m、kb= 1.35?？紤]到圖9中頂板巖層關(guān)系以及現(xiàn)場可操作性，將實(shí)際的DPB高度確定為5 m。確定完DPB長度后，需要設(shè)計(jì)炮孔裝藥參數(shù)和炮孔間距。裝藥參數(shù)一般通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)裝藥量。最終測(cè)試確定的裝藥結(jié)構(gòu)為“3+2”模式，其中單位長度為300 mm的乳化炸藥采用非耦合間隔裝藥，爆破方式為串聯(lián)爆破。炮孔間距可由下列公式導(dǎo)出[33]：

式中，d為炮孔間距；rb為炮孔半徑；ρ0為炸藥密度；Dj為炸藥爆速；λ為側(cè)壓系數(shù)；n為爆轟產(chǎn)物作用增強(qiáng)系數(shù)；ξ為聚能爆破系數(shù)；D為巖體損傷系數(shù)；γb為與炸藥性質(zhì)和裝藥密度相關(guān)的常數(shù)；σt為巖石抗拉強(qiáng)度；γ為巖體重度；H為巖體埋藏深度；le為藥柱總長度；lb為炮孔裝藥段長度；c為柱狀炸藥與炮孔的直徑比值。

圖12. DPB留設(shè)巷道斷面圖和DPB設(shè)計(jì)。

DPB高度（5 m）范圍內(nèi)的巖體類型以細(xì)砂巖為主（圖9），其抗拉強(qiáng)度大于砂質(zhì)泥巖（DPB范圍內(nèi)的其他巖體）。因此，根據(jù)砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)和所使用的炸藥規(guī)格，通過將參數(shù)rb= 24 mm、ρ0= 1200 kg·m-3、

Dj= 3600 m·s-3、λ= 2.6、n= 10、ξ= 2、D= 0.7、γb= 3、σt= 2.6 MPa、γ= 25 kN·m-3、Hb= 60 m、le= 1.5 m、lb= 3.0 m、c= 0.75，代入公式（5）可得d≤ 518.77 mm。因此，實(shí)際的炮孔間距確定為500 mm。

DPB設(shè)計(jì)總覽如圖12所示。需要注意的是，CRLD錨索的設(shè)計(jì)高度應(yīng)大于DPB高度，一般相差2～3 m，以使錨索的固定長度段（圖3 [25]）免受爆破影響。此外，CRLD錨索可將留設(shè)巷道的直接頂牢固地懸掛在上方的硬厚巖層上。

4.2.3. BGSS 設(shè)計(jì)

與端頭支架相連的抗沖自移結(jié)構(gòu)由可變形鋼（長6 m、高1.5 m）制成。將該結(jié)構(gòu)放置在金屬網(wǎng)之后，以防止垮落矸石破壞金屬網(wǎng)。利用100 mm × 100 mm的金屬網(wǎng)將矸石整合成巷幫，并防止小塊矸石擠入巷道?；魄Y(jié)構(gòu)由雙U型鋼搭接制成，能很好地適應(yīng)軸向變形和承受水平變形。因此，用于長期支護(hù)的雙U型鋼可在當(dāng)前留設(shè)巷道廢棄后，循環(huán)使用，以服務(wù)于下一留設(shè)巷道。輔助支撐結(jié)構(gòu)由液壓支柱組成。作為臨時(shí)支護(hù)，將液壓支柱設(shè)置在動(dòng)壓區(qū)，動(dòng)壓區(qū)的經(jīng)驗(yàn)長度為工作面后方150～200 m。因此，隨著工作面推進(jìn)，液壓支柱可被循環(huán)利用。液壓支柱和雙U型鋼交錯(cuò)布置，間距為500 mm。現(xiàn)場的BGSS的設(shè)計(jì)如圖13所示。

4.3. 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)

4.3.1. CRLD 支護(hù)作用效果

如4.2.1節(jié)所述，巷道頂板在預(yù)裂側(cè)偏轉(zhuǎn)下沉最大。選擇放置在預(yù)裂側(cè)的CRLD錨索，監(jiān)測(cè)其在工作面開采過程中的應(yīng)力和回縮值變化。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用山東科技大學(xué)中天安控科技有限公司生產(chǎn)的YAD-200振弦式錨索測(cè)力計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，回縮值使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。在不考慮溫度變化的情況下，測(cè)力計(jì)輸出的錨索荷載Ri根據(jù)式（6）計(jì)算：

式中，G為設(shè)備系數(shù)；f0為振弦的初始頻數(shù)；fi為實(shí)時(shí)記錄的振弦頻數(shù)。

CRLD錨索的性能的綜合表現(xiàn)如圖14所示。在錨索安裝過程中，首先需施加不低于250 kN的預(yù)緊力。在監(jiān)測(cè)區(qū)域（-20 ～3 m）的初始階段，CRLD錨索位置由超前工作面20 m變?yōu)闇蠊ぷ髅? m，CRLD錨索處于恒阻狀態(tài)，無回縮發(fā)生，輸出的應(yīng)力值平穩(wěn)波動(dòng)。之后，應(yīng)力劇烈振蕩，振動(dòng)幅度隨工作面前進(jìn)而減小。同時(shí)，回縮值迅速增大，恒阻體滑動(dòng)。當(dāng)工作面位置超前錨索52 m時(shí)，錨索應(yīng)力再次趨于穩(wěn)定，相對(duì)應(yīng)的回縮值不再明顯增長。記錄的最終回縮值穩(wěn)定在28 mm處。從上述現(xiàn)象可以看出，留設(shè)巷道頂板活動(dòng)最劇烈的階段發(fā)生在工作面后方60 m范圍內(nèi)。CRLD錨索能夠很好地適應(yīng)頂板大變形，并在抵抗頂板下沉變形的同時(shí)表現(xiàn)出良好的吸能效應(yīng)。

圖13. 現(xiàn)場BGSS設(shè)計(jì)。

4.3.2. DPB 作用效果

采用武漢長盛煤安科技有限公司制造的CXK-6鉆孔成像儀觀察孔內(nèi)的爆生裂縫成形效果，以優(yōu)化裝藥參數(shù)，監(jiān)督爆破質(zhì)量。如圖15（a）所示，采用4.2.2節(jié)所述的“3+2”裝藥模式，爆破后，裝藥段內(nèi)（孔深2～5 m）生成了兩條明顯的定向裂縫。此外，對(duì)DPB炮孔裂縫率（裂縫長度與炮孔長度之比）進(jìn)行抽查，裂縫率應(yīng)大于60%。在對(duì)每200個(gè)炮孔（即沿巷道走向每100 m）進(jìn)行隨機(jī)檢查后，計(jì)算出現(xiàn)場炮孔裂縫率為74%。如圖15（b）和（c）所示，可從自動(dòng)形成的巷道巷幫內(nèi)觀察到DPB作用效果。DPB沿炮孔連線分割頂板，帶有半孔的采空區(qū)頂板在采后發(fā)生垮落。通過捕捉到的巖石炮孔斷裂面，可以看出，采空區(qū)留有半孔，炮孔面未形成其他明顯裂縫，斷裂面光滑。以上現(xiàn)象證明了DPB的預(yù)期應(yīng)用效果。

圖14. CRLD錨索性能。

圖15. 定向爆破效果。（a）炮孔成像；（b）垮落區(qū)半孔；（c）半孔放大圖。

4.3.3. BGSS 作用效果

為了確定工作面推進(jìn)時(shí)作用在BGSS上的矸石的側(cè)向壓力的變化情況，在雙U型鋼后面設(shè)置了壓力計(jì)以記錄壓力變化，如圖16所示。在上升階段，測(cè)得壓力在壓力計(jì)滯后工作面4.2 m位置時(shí)出現(xiàn)。在工作面推離4.2～8.2 m時(shí)，壓力從0.33 MPa略微增加至0.38 MPa。從推進(jìn)距離為8.2 m時(shí)開始，壓力快速上升，在45.2 m處達(dá)到最大，壓力值為1.63 MPa。結(jié)果表明，當(dāng)工作面推離時(shí)，堅(jiān)硬頂板垮落存在明顯的空間滯后效應(yīng)?？箾_自移結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，分解了采空區(qū)頂板首次垮落的沖擊，這與壓力開始階段的緩慢增長相對(duì)應(yīng)。之后，抗沖自移結(jié)構(gòu)向前移動(dòng)，上位頂板分層垮落，壓力快速增加。在下降階段，經(jīng)過上位基本頂?shù)臎_擊運(yùn)動(dòng)后，壓力下降，在大約96 m的位置，壓力逐漸穩(wěn)定在約1.22 MPa。此時(shí)，被壓實(shí)的矸石已基本穩(wěn)定。

工作面后方的留設(shè)巷道區(qū)域分為動(dòng)壓承載區(qū)和巷道穩(wěn)定區(qū)兩部分。在動(dòng)壓承載區(qū)，雙U型鋼和液壓支柱交替布置，如圖17（a）所示?？迓涞膸r體材料被BGSS封堵整合，形成完整的巷幫。隨著工作面推進(jìn)，原先位于動(dòng)壓承載區(qū)的巷段進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，其中原先位于動(dòng)壓區(qū)的支柱被回撤用于支護(hù)下一動(dòng)壓區(qū)域。如圖17（b）所示，穩(wěn)定區(qū)的留設(shè)巷道已經(jīng)穩(wěn)定，雙U型鋼在支柱回撤后沒有出現(xiàn)明顯的側(cè)向變形，最終自動(dòng)成形的巷幫滿足生產(chǎn)安全要求。

圖16. 矸石壓力監(jiān)測(cè)曲線。

圖17. BGSS現(xiàn)場應(yīng)用效果。（a）支柱回撤前；（b）支柱回撤后。

4.3.4. 開采壓力

通過對(duì)工作面支架壓力數(shù)據(jù)的處理，得到工作面開采壓力的三維分布，如圖18所示。留設(shè)巷道側(cè)的開采壓力很小。壓力沿工作面傾斜方向增大，最大壓力位于非留設(shè)巷道側(cè)。結(jié)果表明，通過DPB的設(shè)計(jì)和施工，垮落巖體材料充分碎脹成為天然支護(hù)體，限制了開采壓力的增加。在傾向上，隨著工作面位置與DPB位置之間的距離增加，卸壓效果減弱，最大壓力區(qū)位于非留設(shè)巷道一側(cè)，該側(cè)的巷道則屬于傳統(tǒng)開采方式。因此，與傳統(tǒng)開采技術(shù)相比，采用新型無煤柱開采技術(shù)開采的巷道所面對(duì)的開采壓力更小，這對(duì)巷道的穩(wěn)定十分有利。

4.3.5. 留設(shè)巷道穩(wěn)定性

留設(shè)巷道的頂?shù)装逦灰剖欠从诚锏婪€(wěn)定性的直接指標(biāo)。在留設(shè)巷道內(nèi)設(shè)置位移測(cè)點(diǎn)，以觀察頂?shù)装迨諗壳闆r。如圖19所示，隨著工作面遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)，頂?shù)装逦灰葡壬仙?，然后逐步穩(wěn)定。將位移上升階段定義為動(dòng)壓承載區(qū)，位移趨于穩(wěn)定時(shí)的階段定義為巷道穩(wěn)定區(qū)。屬于動(dòng)壓承載區(qū)的留設(shè)巷道緊靠采動(dòng)工作面后方，由于開采擾動(dòng)和采空區(qū)上方頂板運(yùn)動(dòng)，留設(shè)巷道遭受礦山壓力而發(fā)生收斂變形。因此，在動(dòng)壓承載區(qū)設(shè)置臨時(shí)支護(hù)（液壓支柱配合花邊梁），以減小巷道位移，促進(jìn)動(dòng)壓承載區(qū)到穩(wěn)定區(qū)的過渡?，F(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道趨于穩(wěn)定的距離約為148 m。當(dāng)巷道進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)，液壓支柱可被回撤，用于支護(hù)新形成的動(dòng)壓承載區(qū)域。為了安全起見，現(xiàn)場的支柱回撤距離設(shè)為160 m。通過支柱“回撤-設(shè)置”的循環(huán)，成功留設(shè)了全長為890 m的巷道，其頂?shù)装逦灰品€(wěn)定在212 mm，滿足了巷道留設(shè)和開采生產(chǎn)要求。

圖18. 開采壓力三維云圖。

圖19. 頂?shù)装逦灰坪拖锏懒粼O(shè)效果。

4.4. 留設(shè)巷道問題

在新型無煤柱開采技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用中，對(duì)于具有堅(jiān)硬頂板的中厚煤層來說，在留設(shè)巷道的幾小段區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了巷道實(shí)體煤幫片幫以及巷道矸石幫內(nèi)頂板巖體懸頂?shù)默F(xiàn)象，如圖20所示。首先，實(shí)體煤幫片幫會(huì)增大巷道的跨度，由于巷道服務(wù)期限長，由片幫引起的巷道頂板的無支護(hù)面積增加會(huì)威脅到巷道的使用安全。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該巷段內(nèi)的定向裂縫連通性較差，造成巷幫承受了來自懸臂巖梁運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的較大荷載。當(dāng)采空區(qū)頂板沿連通性較差的預(yù)裂面垮落時(shí)，巷道頂板不得不克服未裂斷部分的巖體內(nèi)聚力。由于頂板堅(jiān)硬，其偏轉(zhuǎn)位移大，因此在擠壓巷幫時(shí)，造成煤體剝落。另外，懸頂問題對(duì)巷道安全是一個(gè)潛在的威脅，分析其成因有二：一是DPB未能有效地切開頂板；二是由于具有堅(jiān)硬頂板的中厚煤層的開采條件造成了頂板破裂塊度大，回轉(zhuǎn)空間小。當(dāng)大塊巖體內(nèi)邊緣經(jīng)過小幅度旋轉(zhuǎn)觸到底板時(shí)，巖體另一端的預(yù)裂面摩擦力會(huì)使得巖體進(jìn)入一種平衡狀態(tài)。當(dāng)下一個(gè)工作面開采靠近時(shí)，這種平衡很容易被打破。一旦懸頂?shù)拇髩K巖體垮落，該區(qū)域的巷旁支護(hù)可能被破壞，從而威脅到巷內(nèi)行人安全。但是，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整措施，可解決這些問題。具體措施有：提升炮孔間的裂縫連通性；對(duì)巷幫進(jìn)行支護(hù)；在DPB炮孔旁增加松動(dòng)爆破孔以降低巖體塊度。

5. 討論

無煤柱開采最早開始于20世紀(jì)50年代。傳統(tǒng)的方法是在采空區(qū)側(cè)建造人工砌體，該方法已在不同開采深度[34,35]、不同煤層厚度[36,37]、不同頂板巖性[38-40]的多種地質(zhì)條件下進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用。作為無煤柱開采的先行方法，這一傳統(tǒng)方法在過去幾十年中得到了長足發(fā)展，然而一些固有的缺陷也隨之暴露。對(duì)于傳統(tǒng)方法，長期的頂板運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)使得留設(shè)巷道難以維穩(wěn)[41]，而且其應(yīng)用場景有限。例如，在堅(jiān)硬頂板條件下，傳統(tǒng)方法的適應(yīng)性較差[42]。隨著開采深度增加，這些問題越來越棘手[43]。因此在實(shí)踐中，傳統(tǒng)方法的應(yīng)用較為復(fù)雜[44]。此外，通過施工或充填的方式建造采空區(qū)側(cè)砌體，會(huì)造成高昂的人力和材料資源成本，并且可能會(huì)帶來潛在的生產(chǎn)延遲，從而降低長壁開采效率。

本研究介紹了新型無煤柱自成巷開采成套技術(shù)，該技術(shù)利用矸石的自承能力來緩解開采壓力，并形成天然巷幫?；诒狙芯刻岢龅脑O(shè)計(jì)原則，三類關(guān)鍵技術(shù)（CRLD、DPB、BGSS）協(xié)同配合，有效、安全地形成并留設(shè)了沿空巷道。由于地質(zhì)開采條件的不同，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)遇到一些問題。根據(jù)現(xiàn)場具體情況，因地制宜，可取得理想的應(yīng)用效果。

圖20. 巷道留設(shè)期間的問題。（a）實(shí)體煤幫片幫；（b）矸石幫內(nèi)懸頂。

煤炭的分布和開采條件是復(fù)雜的[45]。對(duì)于具有沖擊地壓危險(xiǎn)、煤與瓦斯突出、礦井水害等潛在災(zāi)害性礦井，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)具備良好的應(yīng)用潛力，但還需對(duì)這些礦井進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場試驗(yàn)和研究。

新型無煤柱自成巷開采技術(shù)以所提出的技術(shù)原理為框架，因地制宜，可確保留設(shè)巷道的質(zhì)量與安全。該技術(shù)具有優(yōu)良的工程適用性和推廣價(jià)值。

6. 結(jié)論

本文研究了一種無煤柱自成巷開采技術(shù)，該技術(shù)可減少煤炭資源浪費(fèi)和巷道掘進(jìn)工程量；介紹了開采技術(shù)中所涉及的三類關(guān)鍵技術(shù)：CRLD錨索、DPB、BGSS；通過現(xiàn)場應(yīng)用，對(duì)三類關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)及實(shí)際效果進(jìn)行了研究?，F(xiàn)場的巷道得以成功留設(shè)，驗(yàn)證了該技術(shù)的工程適用性及推廣價(jià)值。主要結(jié)論如下：

CRLD錨索在留設(shè)巷道服務(wù)期間能夠以高恒阻狀態(tài)抵抗頂板大變形。DPB一側(cè)的頂板為重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域，該區(qū)域的CRLD錨索在工作面后方60 m內(nèi)發(fā)揮了顯著作用。為了使采空區(qū)頂板有效快速地垮落，需對(duì)DPB進(jìn)行一定的高度與角度設(shè)計(jì)。DPB的應(yīng)用使留設(shè)巷道頂板和采空區(qū)頂板間產(chǎn)生了定向裂縫并發(fā)生分離。當(dāng)工作面推離時(shí)，采空區(qū)頂板可沿設(shè)計(jì)位置垮落。BGSS設(shè)計(jì)為抗沖自移結(jié)構(gòu)、滑移屈服結(jié)構(gòu)和輔助支撐結(jié)構(gòu)三部分，可很好地適應(yīng)開采壓力。BGSS的應(yīng)用將矸石整合成有效巷幫，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)工作面推離96 m時(shí)，現(xiàn)場的巷道矸石幫趨于穩(wěn)定。

碎脹的矸石塊體成為天然的支護(hù)體，減輕了采空區(qū)一側(cè)的開采壓力。卸壓環(huán)境下的留設(shè)巷道在進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)（區(qū)域內(nèi)的支柱可回撤）前，并沒有產(chǎn)生較大變形?，F(xiàn)場的巷道穩(wěn)定距離為148 m。沿空巷道在實(shí)踐中自動(dòng)形成且被成功留設(shè)，實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采。留設(shè)巷道的質(zhì)量是無煤柱開采中的關(guān)鍵因素。根據(jù)不同的地質(zhì)開采條件采取不同的措施，可提升留設(shè)巷道質(zhì)量，使無煤柱自成巷開采技術(shù)得到普遍應(yīng)用。

致謝

感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0600900）和國家留學(xué)基金管理委員會(huì)項(xiàng)目（201806430070）對(duì)本研究的支持。

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Xingyu Zhang, Manchao He, Jun Yang, Eryu Wang, Jiabin Zhang, and Yue Sun declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.