沿空留巷技术研究现状与展望*

和树栋　张　轶　刘　威

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司；

3.山东东山新驿煤矿有限公司)



沿空留巷技术研究现状与展望*

和树栋1,2张轶1,2刘威3

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司；

3.山东东山新驿煤矿有限公司)

摘要实现我国煤矿可持续发展的关键在于合理开采、利用现有煤炭资源、提高资源回采率。沿空留巷技术在理论和实用价值层面促进了无煤柱护巷技术的发展，技术经济优势明显，符合绿色采矿、科学采矿的发展思路。为此，详细分析了沿空留巷理论研究、支护形式的国内外研究现状，剖析了该技术的应用成果，探讨了该技术的发展方向，为沿空留巷技术的快速发展提供参考。

关键词沿空留巷技术现状科学采矿绿色采矿发展方向

我国多数煤矿的井工开采形式决定了其年掘进巷道尺度巨大(约4万km)，其中多数回采工作面采用留设煤柱的方式进行维护，该方式可导致全矿煤炭资源总量的约40%遭到损失。因此，研究区段间无煤柱护巷技术不仅可提高煤炭资源回收率，而且在降低巷道掘进率方面效果显著。沿空留巷作为一种无煤柱护巷方式，在减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、取消孤岛工作面等方面优势突出。沿空留巷技术取消了护巷煤柱，解决了回采工作面推进过程中因煤柱应力集中造成的冲击地压、瓦斯涌出与积聚等问题，在控制煤矿重大事故灾害方面独具优越性。沿空留巷技术是实现前进式和往复式采煤方法变革的有效途径，据统计，沿空留巷一般可提高采区采出率10～20个百分点，可普遍降低巷道掘进率25～33个百分点。因此，该技术受到了业内人士的高度重视，在理论研究、工程应用层面均取得了长足的发展。本研究就该技术的研究现状以及发展方向进行分析，供相关研究参考。

1沿空留巷理论研究进展

1.1沿空留巷上覆岩层活动基本规律

沿空巷道上覆岩层活动规律尽管具有独特性，但又与常规工作面回采时上覆岩层的活动规律有密切关联。钱鸣高等[1]提出了采场上覆岩层的“砌体梁”结构力学模型、“关键层”理论等，详细阐述了覆岩中的厚硬岩层所承受的载荷及变形破坏规律。宋振骐[2]提出了“传递岩梁”力学模型，认为破断岩梁始终能向煤壁前方及采空区矸石传递作用力，支架与岩梁间的相互作用存在“给定变形”和“限定变形”2种工作方式。陆士良[3]经过研究，认为留巷顶板下沉量与采厚成正比例关系，下沉量占采厚的1/10～1/5，在整个变形过程中属“给定变形”。何廷峻[4]通过分析工作面端头形成的三角形悬顶破断结构，预测了该结构在留巷过程中破断的位置及时间，为确定滞后加固所留巷道的时间和长度提供了理论支撑。孙恒虎等[5]通过相似材料模拟试验探究了沿空留巷围岩活动的前期和后期规律，提出了前期支护以“顶”为主、后期支护以“让”为主的围岩控制理念。侯朝炯等[6]以综放沿空掘巷围岩的特点为基础，提出了围岩大小结构的原理，将基本顶沿倾斜方向形成的结构作为沿空掘巷围岩的大结构，将巷道周围锚杆组合支护以及锚杆与围岩组成的锚固体作为小结构。柏建彪[7]在所建立的沿空掘巷基本顶弧形三角块结构力学模型的基础上，对该结构在掘巷前后及受采动影响时的稳定性进行了力学分析，阐述了该结构的稳定性对沿空掘巷的影响，理论研究和工程实践均表明基本顶破断后形成的砌体梁结构形成了沿空巷道的上部力学边界。

1.2沿空留巷巷旁支护阻力基本规律

国内外学者对沿空留巷巷旁支护阻力进行了深入研究，Whittaker等在岩体结构静力关系的基础上提出了分离岩块力学模型。前苏联学者B．胡托尔诺依将采场矿压悬梁模型在沿空留巷中进行了推广，推导了巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式。Smart等提出了顶板倾斜力学模型，提出了限制巷道煤体一侧到采空区边缘间顶板下沉量的思路，认为巷旁支护设计的2个关键参数在于顶板倾斜角和转动支点位置。陈名强[8]认为巷旁支护的工作阻力应能承受由于支撑点和上覆岩层载荷重心不一致引起的附加载荷、上覆岩层破断时的动压载荷、弧三角板悬板结构重量及其破断前移时的载荷。孙恒虎等[5]将简化了的矩形“叠加层板”代替长壁工作面沿空留巷的煤层顶板，通过条带载荷法和塑性极限分析法确定了留巷巷旁支护阻力及巷旁支护体后期阻力的计算方法。周华强等[9]通过试验研究，认为巷旁充填体通过改变顶板弯矩分布、切落采空侧顶板可控制顶板下沉，减少作用于支护体系上的载荷，并为留巷顶板平衡创造条件。柏建彪[10]根据块体不同时期的平衡条件推导了不同时期的巷旁支护阻力计算式，但巷道围岩和老顶断裂位置等参数的选定往往受人为因素的影响。马立强等[11]在巷内充填原位沿空留巷技术基础上，提出了巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型，并深入分析了围岩与充填体间的相互作用关系。

2沿空留巷支护形式研究现状

2.1巷内基本支护

沿空留巷巷内基本支护由早期的金属支架或木棚被动支护逐步向锚杆(索)主动支护转变。目前我国部分矿区应用的留巷巷内支护情况(表1)基本反映了现阶段我国沿空留巷巷内支护的主要形式。

表1　我国沿空留巷巷内支护情况

在中厚及厚煤层大断面巷道中应用沿空留巷技术，随着巷道围岩载荷、变形的增加，原使用的金属支架型钢重量不断增加，棚距日益减小，留巷费用居高不下。据统计，某矿务局使用的U型钢可缩性支架受采动影响发生的支架变形破坏情况如表2所示。究其原因：一方面由于金属支架无法紧密接顶，沿巷道周边和轴向载荷分布不均匀，产生由于支架变形导致的弹性抗力，即被动载荷；另一方面由于支架在载荷作用下产生缩动，支架几何尺寸的改变导致装配应力的产生，进而使支架内力随之改变。由此可见，金属可缩性支架在沿空留巷中的应用受到了限制。

表2受采动影响支架变形破坏比重

%

沿空巷道稳定的关键在于对巷道两帮和顶板的控制，采用锚杆支护方式对巷内顶板进行主动控制，提高围岩的极限强度和破碎围岩的残余强度，使得围岩的自承能力得到充分发挥。因此，沿空留巷采用加长锚固的高强度锚杆(索)支护，对于巷内顶板具有良好的保护效果。

2.2巷内加强支护

沿空留巷在工作面采动及采后留巷期间，即在上区段工作面采前20 m及采后100 m范围内，巷道围岩活动强烈，该范围内需采用加强支护方式。一般来说，宜采用单体液压支柱或专门研制的支架进行加强支护。我国部分采用沿空留巷技术的矿区巷内支护情况见表3。

表3我国沿空留巷巷内支护情况

矿井及工作面工作面地质条件巷道断面/m2加强支护形式福城矿1901S面煤层厚5.01m,倾角14.5°～45°,顶板细砂岩,底板泥岩及粉砂岩12.60单体液压支柱、锚杆索联合支护义络煤业38010工作面煤层倾角20°～45°,煤厚0～3.5m3.60单体支柱配π型钢梁支护新庄孜矿62110工作面煤厚1.0m,倾角16°～24°,顶板为砂质泥岩,厚2.0～3.0m13.44初始采用锚梁网支护,加固采用架喷锚注联合支护孟庄矿Ⅲ4-222工作面煤层均厚1.17m,倾角26°,直接顶泥岩,老顶中粒砂岩,底板泥岩及粉砂岩11.76架棚和支柱联合支护前岭矿4330工作面煤层倾角40°,煤厚1.88m,顶板泥岩、粉砂岩,厚7.26m,底板泥岩、粉砂岩3.00架棚和支柱联合支护长沟峪煤矿4槽工作面煤层厚1.6m,倾角35°,直接顶细砂岩,老顶中砂岩,直接底粉砂岩6.60单体液压支柱支护新强矿五采区煤层厚1.8m,倾角45°,顶板细砂岩7.20单体支柱支护太平矿7036工作面煤层厚0.57～1.5m,倾角58°～63°,顶板粉砂质泥岩、粗砂岩,底板泥质粉砂岩6.60单体支柱支护

2.3巷旁支护

沿空侧巷旁支护体材料和性能的选择直接决定了沿空留巷施工的成败。支护体需在短时间内承载快强，通过一定的支护阻力将采空侧的悬空顶板切落，并能够适应留巷后期围岩的剧烈变形。目前多数矿井在应用沿空留巷技术时都设置巷旁支护。

2.3.1传统巷旁支护形式

(1)木垛巷旁支护。木垛巷旁支护在沿空留巷技术发展的初期应用较多，形式多为单排木垛。优点是控顶面积大，采空侧单排木垛适于挡矸，架设灵活、方便，后期支承能力大，相对稳定。缺点是木材消耗量大；早期低支承能力无法起到减缓顶板下沉的作用；木垛可缩量大，无法起到切断采空区顶板的作用；木垛属宽幅巷旁支护类型，增加了作用于巷内支架上的载荷；无法对采空区实现封闭。该支护形式主要适用于薄及中厚煤层。

(2)密集支柱巷旁支护。密集支柱属中强度、有限可缩量的窄幅巷支护类型。支柱早期承载快强，易通过改变架设间距调节其承载能力，适用于不同的采高。该支护形式对顶底板的完整性要求较高，软弱顶底板条件下支柱易于插入顶底板进行卸载，进而失去支撑和切顶作用，极易受采空区冒落矸石的冲击发生倾倒，支柱的架设质量决定了其工作性能。密集支柱适用于薄及厚煤层以及围岩中等稳定以上条件的巷道。

(3)矸石带巷旁支护。矸石带属宽幅、大可缩量巷旁支护类型。但由于矸石带初期不承载、后期压实后承载性能提升，但此时顶板已大量下沉并失去稳定性。堆砌的矸石带增加了顶板的悬跨度，易造成顶板沿煤壁边缘断裂致使巷内支护体上载荷增加。但该支护方式材料来源广泛、价格低廉，在经济上是有效的巷旁支护方式，对于顶板较稳定的巷道，在确保砌带速度、砌筑质量的前提下，沿空巷道后期会取得较好的支护效果。该支护形式多应用于薄煤层沿空留巷。

(4)人造砌块巷旁支护。人造砌块作为巷旁支护方式，优点是材料来源广、价格低廉、构件的刚性大、承载快，压缩2%便可达到最大载荷。缺点是受载超过抗压时砌块易呈脆性破坏，导致承载能力迅速下降，大采高煤层留巷应用砌块支护时存在稳定性差等问题。

综合上述分析，沿空留巷普遍存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应，采空区密闭性较差，人工劳动强度较高等缺点，所以长期以来我国沿空留巷多应用于条件较好的薄及中厚煤层，而在厚煤层、急倾斜煤层等条件较差的煤层中多采用沿空掘巷技术。

2.3.2巷旁支护新材料和新技术

(1)高水速凝材料巷旁支护。高水速凝材料混合后具有凝固快速、承载快强、塑性变形量大、易于泵送、构筑机械化程度高等优点。但由于材料价格相对较高，对充填袋的要求(抗静电、阻燃)也较高，因而制约了其在煤矿中的广泛应用。高水速凝充填材料是在高水速凝材料中按配比加水搅拌获得，28 d 强度可达8～20 MPa。高水灰渣充填材料是高水速凝材料外加活性灰渣进行改性得到的一种充填材料，28 d强度可达3～5 MPa。应用高水充填新技术时需建立较完善的充填材料加工制备和泵运充填系统，前期成本投入较大，此外，充填体受材料、工艺性能的影响，导致接顶质量得不到保障，因而仍难以推广应用。

(2)膏体材料巷旁支护。膏体材料巷旁支护是将膏体状充填材料经加工制备、泵送、钢管输至由模板构筑的充填空间内凝结而成。材料由胶结料、骨料加水搅拌混合均匀而成，矸石在材料中的比重可达85%以上，减少了矿井地面排矸，膏体材料28 d 强度可达3～9 MPa。膏体材料巷旁支护的塑性变形特征显著，材料达到峰值强度后，随着变形的增大，承载能力缓慢下降。该特性使得巷旁支护在整个留巷过程中实现了“让”与“抗”的有机结合，保证了巷道的支护效果。从材料力学特征、经济性等方面分析，沿空留巷应用膏体材料巷旁充填技术是可行的。

2.4巷旁充填布置

留巷的方式在一定程度上影响着沿空留巷围岩的稳定性。沿空留巷在满足巷内、巷旁支护参数要求的同时，根据巷旁充填体与原巷道的相对位置关系，可供选取的巷旁充填体的布置形式如图1所示。

原位留巷是沿空留巷最为常见的巷旁充填体布置方式，该方式可一次性保持巷道原有形状，无需再次扩巷，但巷道维护可能会出现一定的困难。其他留巷布置方式均随着巷旁充填体向煤壁侧靠近，缩小了原有巷道的尺寸，在顶板来压、采动影响时更有利于巷内顶板的维护，但在巷道来压稳定之后，仍需耗费一定的人力、物力对巷道重新进行刷帮扩巷，恢复巷道原有的形状。

图1　沿空留巷巷旁墙体布置形式

3总结与展望

3.1总结

沿空留巷技术经过近50 a的研究、试验、引进和推广，条件较好的薄及中厚煤层沿空留巷的矿压显现规律及充填体作用机理的研究日趋成熟，取得的成果主要有：

(1)沿空留巷围岩变形是由工作面回采引起的基本顶破断、失稳造成的。工作面推进过后，裂隙带岩层的急剧沉降导致巷道顶板在短期内剧烈下沉。多数情况下，沿空留巷顶板下沉速度在工作面后方10～20 m处最大，60～70 m以后顶板下沉趋于稳定。

(2)沿空巷道的顶板沿倾向向采空区方向倾斜明显，沿倾斜方向巷旁煤体边缘卸载宽度为1～3 m，侧向支承压力峰值距巷道2～5 m，支承压力影响范围为30～50 m。

(3)采动期间巷道顶板下沉量与煤厚成正比关系，一般为采厚的1/10～1/5，基本属于“给定变形”。随着煤层采厚的增加，巷内支护由被动单体柱支护向主动锚杆(索)支护发展，部分矿井配合使用工字钢或U型可缩性支架进行支护，效果显著。

(4)巷旁支护不可能完全阻止回采覆岩来压导致的巷道顶板剧烈沉降，厚硬顶板条件下需设置强力的切顶支架或进行人工挑顶缓解支护体系上的荷载，否则，所留巷道的维护难度仍会加大。

3.2展望

(1)沿空留巷工程实践多数是在缓倾斜、薄及中厚煤层、顶板稳定煤层开展的，在急倾斜、厚煤层、深井多水平等不利条件下开展沿空留巷工程实践仍有待进一步研究。

(2)以往建立的沿空留巷力学模型一般仅考虑巷旁支护与顶板岩层的相互作用关系，忽视了巷内支护对维护巷道的作用，特别是忽视巷帮煤体对沿空留巷顶板的支承作用。

(3)在不同的顶板条件下，针对工作面侧向顶板断裂结构与破断规律、充填体承载性能、载荷传递特征等方面的研究仍需深入。

(4)研发适用于不同顶板条件下沿空留巷围岩运动特点的低成本新型巷旁充填材料及支护方式是沿空留巷技术的重点攻关方向之一。

参考文献

[1]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21(3)：225-230.

[2]宋振骐.实用矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[3]陆士良.无煤柱巷道的矿压显现与受力分析[J].煤炭学报，1981(4)：29-37.

[4]何廷峻.工作面端头悬顶在沿空巷道中破断位置的预测[J].煤炭学报，2000，25(1)：28-31.

[5]孙恒虎，吴健，邱运新.沿空留巷的矿压规律及岩层控制[J].煤炭学报，1992，17(1)：15-23.

[6]侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大小结构的稳定性原理[J].煤炭学报，2001，26(1)：1-6.

[7]柏建彪.沿空留巷围岩控制技术研究[J].煤炭支护，2009(2)：13-20.

[8]陈名强.巷旁支护带理想力学特性的探讨[J].焦作矿业学院学报，1988(2)：78-87.

[9]周华强，侯朝炯，易宏伟，等.国内外高水巷旁充填技术的研究与应用[J].矿山压力与顶板管理，1991(4)：1-6.

[10]柏建彪.巷道掘进空顶距确定的差分方法及其应用[J].煤炭学报，2011，36(6)：921-924.

[11]马立强，张东升.综放巷内充填原位沿空留巷充填体的支护阻力研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(3)：544-549.

Research Status and Development Direction of Gob-side Entry Retaining Technique

He Shudong1, 2Zhang Yi1,2Liu Wei3

(1.State Key Laboratory of Gas Monitoring and Emergency Technology; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute;3.Dongshan Xinyi Coal Mine Co.Ltd.of Shandong Province)

AbstractThe keys of the efficient and sustainable development in coal mines in our country is reasonable exploitation,utilization of the existing coal resources and improvement of resources stoping rate.The development of roadways protection without coal pillars technique is promoted by the god-side entry retaining technique in the aspect of theoretical and practical value,and it has obvious technical and economic advantages,besides that,it is consistent with the development thought of scientific mining and green mining.In order to better understand the technique,the development status of domestic and foreign of the god-side entry retaining theory and god-side entry retaining technique are analyzed in detail,the results obtained during the application process of the god-side entry retaining technique are discussed in depth,based on the above analysis results,the development direction of the god-side entry retaining technique is studied to provide reference for the development of the god-side entry retaining technique.

KeywordsGob-side entry retaining, Technical status, Scientific mining, Green mining, Development direction

(收稿日期2015-12-29)

*国家“十二五”科技支撑计划项目(编号：2012BAK04B01)；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金(编号：2013ZD002)。

和树栋 (1989—)，男，助理工程师，硕士，400037 重庆市沙坪坝区上桥三村55号。

·采矿工程·