沿空留巷技术

沿空留巷技术近年来，淮南矿区发展卸压开采抽采瓦斯技术，将煤炭开采、瓦斯治理、巷道支护、地温地压治理等安全技术难题统筹考虑，提出了无煤柱煤与瓦斯共采的构想，规划实施了一批科研攻关项目，取得了技术和工程实践的突破，这一历程可分为三个阶段：第一阶段，2004~2007年，技术攻关阶段，以新庄孜矿52210工作面、顾桥1115（1）工作面为试验点，系统研究留巷围岩控制、巷旁充填材料、留巷装备及工艺、瓦斯抽采等技术，实现了Y型通风和煤与瓦斯共采，并成功举办全国“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术现场推广会”，在煤炭行业获得广泛影响，研究成果获得2008年度煤炭工业科技进步特等奖和2009年度国家科技进步奖。第二阶段，2008~2010年，技术调整和推广阶段，在皖北卧龙湖矿、淮北朱庄矿、铁煤小青矿、山西沙曲矿及集团谢一矿、潘二矿和新庄孜矿等开展工程验证和推广工作，20余个集团内外的留巷工程实践表明，浅部留巷可行，深部留巷全面来压、剧烈变形，巷道难以维护，以丁集矿1311（1）工作面为例，工作面回采380m后，迫于巷道的严重变形不得不放弃留巷。第三阶段，2010年至今，技术升级和再创新阶段，以朱集矿1111（1）工作面为标志，通过支护理念及技术、充填材料、充填系统自动化等方面的再创新，初步实现了深井留巷成功，形成了无煤柱卸压开采和煤与瓦斯共采模式。由此可见，自淮南矿区开发Ｙ型通风沿空留巷技术以来，该项技术始终处于不断创新和发展之中，并已成为矿区安全生产、高效开采的核心技术。为推动该项技术的持续进步，全面推动留巷技术在矿区的应用，满足矿区仍至全行业下一步推广应用要求，现从留巷围岩控制技术，留巷工艺、装备及材料，瓦斯抽采技术等三方面对留巷技术进步进行总结，并对下一步的发展提出展望。一、留巷围岩控制技术（一）留巷围岩控制原理、技术及原则研究指出工作面回采后，基本顶岩层在形成大结构之前的强烈回转使沿空留巷经受强烈的采动影响，留巷帮顶出现显著的剪切应力集中，合理的巷内支护形式应克服这种剪切破坏；同时沿空留巷内层支护围岩小结构很难承受外层岩体大结构运动回转过程中岩层移动造成的强烈破坏，不能实现自稳，应采取阶段性辅助加强措施。由此形成了巷道组合锚杆支护、巷旁充填墙体、巷内辅助加强支架“三位一体”的沿空留巷围岩整体支护原理。采用抗剪切性能的超高强度、高预紧力、系统高刚度为核心的“三高”锚杆支护技术，形成高强主动、高阻稳定的锚杆支护围岩承载结构，可以有效控制巷道掘进期间的变形。留巷前采用高强喷锚注加固技术，一方面高压浆液将巷道破碎区内围岩大裂隙封堵，小裂隙也在高压下趋于闭合，提高了围岩的完整性；另一方面通过喷注给锚杆索提供着力基础的同时实现了锚杆索的全长锚固，提高了锚固系统的整体刚度，优化了巷道围岩的受力环境，有助于巷道围岩适应随后的采动影响。在具体手段上实现了由普通无缝钢管单一注浆向中空注浆锚索锚注一体化的跨越。针对深井留巷变形快速、剧烈的特点，开展留巷围岩加固空间的科学合理划分，提出基于四大控顶区的留巷顶板控制思路：超前撕帮控顶区、端头支架控顶区、预充填控顶区、充填墙体控顶区。超前撕帮控顶区明确了沿空留巷超前开缺口加固的重要性，指出开缺口加固不仅能够给充填提供安全的工作空间，而且可以保证充填墙体快速承载，为留巷尽早稳定创造条件；端头支架控顶区明确了工作面上端头T型空间顶板维护的重要性；预充填区域控顶区指出为了维护充填区域顶板的完整性，减小充填体初始载荷，可在充填体内布置木点柱等加强顶板控制；充填墙体控顶区明确了在墙体砌筑初期其强度的不足，需要在墙体里侧补打单体液压支柱及木垛等主被动相结合的措施，保证巷道的稳定。提出沿空留巷围岩控制的6项原则：分段留巷原则、分类加固原则、适时支护强度最大化原则、采前巷道变形最小化和长期稳定原则、高强度低密度的参数选取原则、技术经济最优化原则。六大原则的提出，明确了留巷围岩控制需要在留巷前甚至掘进时根据顶底板情况科学分类，有针对性的进行适时加固并实现加固强度最大化，从而能够保证采前巷道变形最小化和长期稳定，为留巷时围岩变形留出富裕空间，进而实现技术经济最优化；在支护参数选取时，应采用新型“三高”锚杆、大直径锚索、中空注浆锚索、锚索束等超高强度支护技术，减小支护密度，加快施工速度，降低加固成本。（二）坚硬顶板留巷区域应力优化原理及技术针对坚硬顶板条件下的留巷，提出留巷区域应力优化的原理和技术：在适宜的时间，以合适的方式，在顶板关键位置预裂，调整其破断形式，优化其结构状态，加快顶板破断、回转速度，缩短采动应力作用时间，降低支承应力集中程度，实现留巷区域应力场分布的优化；缩短顶板岩层的运动周期、减少采动对留巷的作用时间，为沿空留巷创造有利的应力环境。在淮北朱仙庄矿、晋城凤凰山矿、淮南潘一矿东区等留巷工作面，采用了超前顶板深孔预裂爆破技术，一方面人为引导形成有利于留巷围岩稳定老顶结构，另一方面通过预裂爆破使下位老顶冒落充实采空区，尽快促成留巷围岩结构实现稳定。试验结果表明，采用顶板深孔预裂爆破效果十分显著，留巷矿压显现程度明显降低，有利于留巷围岩控制。（三）留巷墙体加固技术提高留巷墙体的承载能力和对采动影响的适应性是留巷能否取得成功的关键技术之一，除从材料研制入手外，墙体的加固和顶底板的处理同样重要。1）充填区域顶底板加固若充填前顶底板已严重破坏，则充填体不能将支撑阻力传递给直接顶，导致老顶回转下沉量加大，巷道顶板和巷道煤帮严重破坏，则工作面沿空留巷难以成功。因此，需提前对充填区域顶底板采取加固措施，以保证充填前充填区域顶底板的完整性。充填区域顶板加固方法是在充填区域顶板施工锚杆、锚索，锚杆、锚索需配大托盘护顶，增大护顶面积，充分发挥锚杆的预应力扩散效果。锚杆、锚索间排距可参考掘进期间巷内支护参数设计，同时根据顶板条件及采动破坏程度调整。2）充填前预置钢筋网架随着工作面的回采，构筑的巷旁充填体将承受直接顶和老顶的自重载荷，同时承受老顶破断后顶板回转过程中的侧向压力，从而在工作面后方形成较高的支承压力，受此影响，充填体产生裂隙、变形或破坏，墙体的完整性和承载能力大受影响，导致工作空间急剧缩小，并威胁安全生产。采用防止充填墙体向采空区滑移的抗剪锚杆、三维加强筋加强充填墙体、充填墙体底板防滑的关键部位加强、后模板支架立面开孔垛间预留纵筋增加垛间连接等方式构筑钢筋网架结构。钢筋网架结构具有以下优点：一是提高充填体的整体性，将充填体和抗剪杆状体的特性结合起来，共同发挥作用；二是提高充填体的抗变形能力，将顶底板和充填体结合起来，形成一个共同抵抗变形的整体；三是提高充填体强度，保障充填体能有效适应强烈的滞后采动应力影响。3）充填后锚杆、注浆加固为保证充填体的稳定性，可在充填体帮部施工锚杆以限制充填体的变形。在锚杆安装时对其施加较高的预紧力，有效约束锚杆锚固范围内围岩的变形，使钢带、钢筋网形成一个统一的整体，有效提高充填体受滞后采动应力影响时锚杆控制围岩变形的能力。应合理安排锚杆布置方式及支护时机。滞后采动压力异常剧烈，即使采用以上充填体强化控制技术后，充填体仍有可能裂化，此时可采用注浆的手段对充填体进行加固。充填体注浆包括两个方面，一是在充填体与充填区域顶板之间注浆，将充填体上方空隙充填实，保证充填体接顶；二是在充填体中间注浆，提高充填体强度。注浆方式有两种，一种是充填时预埋注浆管，二是充填体固结后施工注浆管。后期破碎墙体尤其是在充填体受强烈采动压力影响下破坏时，充填体残余支承强度较低，实施注浆加固，可以使破碎岩块重新胶结成整体，提高支护结构的整体性、承载能力和稳定性，强化已有的支护结构。若充填体内施工有锚杆，注浆则可进一步强化锚杆作用效果，注浆可以使得锚杆与围岩形成一个整体。利用浆液充填围岩裂隙，配合锚杆支护，充分发挥锚杆的作用，大大减少失锚现象，因此能承受更大的荷载，提高支护结构的承载能力，扩大支护结构的有效承载范围，强化支护结构的整体性，改善支护结构的适应性。（四）留巷矿压监测技术沿空留巷是采动围岩活动最剧烈、采动附加应力最大、采动应力作用时间最长的一类回采巷道，深井留巷的矿压显现特征及变形规律尚需在实践中进一步揭示和发展。传统的矿压监测技术以变形观测为主，测站在空间上断点式分布，观测方法为人工断续观测和采集，难以及时准确掌握巷道围岩的破坏和支护结构的动态变化信息，不能满足锚杆支护巷道围岩稳定和顶板安全的要求。近年来，监测技术正在发生着深刻的变化，巷道矿压观测内容已拓展到围岩深部围岩（离层）监测仪、锚杆索压力计、测力锚杆、光纤锚杆、钻孔应力计等，数据采集正在从原始的独立点变量的采集向时空连续性方向发展，仪器已从机械式向自动采集、数显式过渡，局部实现了实时在线监测。例如朱集1111（1）工作面，采用光纤光栅原理，开发了新型光纤传感网络技术的巷道围岩动态监测系统，实施了锚杆锚索受力数字化监测预警。二、留巷工艺、装备及材料（一）沿空留巷充填方式1）人工立模早期的沿空留巷端头区域控制采用单体液压支柱，在待充填区域用单体液压支护及木点柱支护顶板，并在充填区域周围布置密集单体液压支柱，依靠单体液压支柱布置木板或者特制充填模板，形成封闭的充填空间，同时在充填空间内铺设防止浆液外流的塑料布，最终构成人工充填模板。2）机械模板立模机械模板构筑法又分为支架模板构筑法和框架模板构筑法。支架模板如图1（a）所示，由3架构成，分别为采空区侧模板支架、后模板支架、巷道侧模板支架。框架模板如图1（b）所示，由前部三架支架和后部充填框架组成，前部三架支架为六柱四连杆支撑掩护式型式，后部充填框架由一个前模板、一个单侧模板和一个双侧模板组成，它们通过销轴连接组成U型空间，每个模板都是由上部的模板套和下部的模板套接在一起，通过模板千斤顶控制其升降伸缩。两种支架都能与运输机、采煤机、过渡支架配套使用，可实现工作面的割煤、支护、移架和运煤等综合机械化作业。框架模板是在支架模板基础上发展而来，二者比较而言，框架模板对工作面生产制约较小，能够实现采煤、充填互不干扰，因此既能够满足充填要求，又能够适应工作面快速推进的要求，近年来在淮南、淮北、铁法、晋煤等矿区得到了较好的应用。a.支架模板b.框架模板图1机械化巷旁充填支架3）柔性模板立模柔性模板构筑充填墙体是一种新型沿空留巷墙体构筑方法。随采煤工作面推进，在单体支柱掩护和支撑下，在巷旁支护的外侧将柔性模板固定，将充填材料泵入柔性模板，形成充填墙体。与传统的刚性模板相比，柔性模板是软接触，可以适应任何的巷道形状，刚性模板是硬接触，难以适应复杂形状断面；柔性模板密闭性强，实现了混凝土带压操作，克服了刚性模板的不足，模板质量轻，劳动强度低。目前，国内还开发了柔模充填支架，避免了工人在采空区挂袋作业，提高了工人操作的安全性，实现了机械化。柔性模板构筑充填墙体方法在冀中能源、山西焦煤等多个矿井成功应用。4）预制块体在地面预置块体，然后在井下按照一定的堆砌方式将块体堆砌起来，形成留巷墙体。地面预置混凝土块体，不受施工时间和空间的限制，能够控制材料配比和凝结时间，墙体砌筑后可立即承载。其原材料来源广泛，易于就地取材和加工，砌体结构具有良好的耐火性和耐久性。砌体结构的施工设备和方法较简单，施工的实用性较强，造价低廉。预制块体构筑充填墙体应用历史悠久，具有一定的适应性，但与机械模板构筑法相比，构筑墙体速度较慢，难以满足工作面快速推进的要求。如华晋焦煤沙曲矿24202工作面采用预制块体方式沿空留巷满足了留巷承载要求，试验取得成功。（二）沿空留巷装备1）充填泵淮南留巷用充填泵大致有两种类型，一种为德国普茨迈斯特公司生产的BSM1002-E混凝土充填泵，理论输送量为12~15m3/h，最大出口压力为10MPa（图2a）；另一种为三一重工及相似系列，煤矿用混凝土泵主要型号有：HBMG-50/16-132S（图2b）、HBMG30/21-110S、HBMD-40/10-110S等。由以上泵的型号可知，德国泵的理论输出量和最大出口压力较小，三一重工及相似系列最大理论输出量可达50m3/h，最大出口压力可达21MPa。（a）BSM1002-E混凝