無煤柱開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議

吳玉意

[摘要]本文就無煤柱開采技術(shù)的技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理。目前，應(yīng)用較多、具有代表性的無煤柱開采技術(shù)有柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)、高水材料沿空留巷技術(shù)、模板支架混凝土沿空留巷技術(shù)、鋼管混凝土沿空留巷技術(shù)及切頂沿空留巷技術(shù)，分別對(duì)上述5項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了介紹，還介紹了沿空掘巷目前的進(jìn)展情況。針對(duì)當(dāng)前無煤柱開采技術(shù)中存在的問題給出了改進(jìn)建議。

[關(guān)鍵詞]無煤柱開采 沿空留巷 沿空掘巷

無煤柱開采是提高煤炭資源回收率，減少巷道掘進(jìn)量，改善巷道維護(hù)，治理瓦斯超限，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的一項(xiàng)先進(jìn)煤炭開采工藝。推行無煤柱開采，不僅對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造、緩解采掘緊張關(guān)系和延長礦井壽命具有現(xiàn)實(shí)意義，而且也是使煤炭企業(yè)改善安全生產(chǎn)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降本增效的重要途徑。無煤柱開采包括沿空留巷無煤柱開采和沿空掘巷無煤柱開采。沿空留巷是在回采工作面后方靠采空區(qū)側(cè)用特殊的方式將采過的巷道保留下來為下一個(gè)工作面服務(wù)，邊采邊留巷；沿空掘巷是在采空區(qū)冒落壓實(shí)后，在采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道。沿空留巷減少了煤柱和巷道，沿空掘巷減少了煤柱但不減少巷道。

一、無煤柱開采技術(shù)發(fā)展階段

我國無煤柱開采最早可追溯到建國初期，大體經(jīng)歷了以下四個(gè)發(fā)展階段：

第一階段：20世紀(jì)50年代至60年代，初期自發(fā)應(yīng)用階段。無煤柱開采的雛形早在50年代初期就出現(xiàn)，最初是在一些薄煤層中采用矸石代替煤柱來維護(hù)上區(qū)段順槽，而作為下區(qū)段的回風(fēng)順槽，如棗莊、峰峰、淄博等礦區(qū)都有應(yīng)用。60年代初期，我國部分礦井開始有計(jì)劃的取消區(qū)段煤柱的試驗(yàn)。峰峰礦務(wù)局各生產(chǎn)礦井先后在大煤工作面采用單巷布置，對(duì)回風(fēng)順槽實(shí)行沿空掘巷，以取消采區(qū)隔離煤柱。此時(shí)，無煤柱在我國開始興起，但未能總結(jié)和推廣。

第二階段：20世紀(jì)70年代至80年代，宣傳試用階段。我國廣泛宣傳和試用無煤柱開采技術(shù)，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使這項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性和合理性很快得到了公認(rèn)，此期間全國統(tǒng)配煤礦采用沿空掘巷和沿空留巷的工作面數(shù)量累計(jì)達(dá)到2156個(gè)，無煤柱開采產(chǎn)量累計(jì)達(dá)2.8億噸。在1.15～2.15m厚的煤層中應(yīng)用密集支柱、木垛、矸石帶、砌塊等作為巷旁支護(hù)，巷內(nèi)多采用木棚、工字鋼梯形支架支護(hù)，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的應(yīng)用。

第三階段：20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代，快速發(fā)展階段。我國煤礦工作者在引進(jìn)、吸收國外的沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巷旁充填護(hù)巷技術(shù)，主要有高水材料沿空留巷技術(shù)及模板支架筑墻沿空留巷技術(shù)。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。

第四階段：21世紀(jì)10年代，發(fā)展應(yīng)用新階段。針對(duì)巷旁充填技術(shù)存在的一些問題，西安科技大學(xué)開發(fā)了柔模混凝土無煤柱開采技術(shù)，在不同地質(zhì)工程條件中得到了廣泛應(yīng)用。中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)了切頂沿空留巷技術(shù)，目前主要應(yīng)用在薄及中厚煤層。

二、沿空留巷發(fā)展現(xiàn)狀

（一）沿空留巷理論

沿空留巷的關(guān)鍵是巷旁支護(hù)，本質(zhì)是圍巖控制（支護(hù)）?？刂蒲乜樟粝飮鷰r變形是衡量留巷效果的主要因素。目前，大家比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是：沿空留巷上部頂板在錨索支護(hù)及煤幫固定作用下形成一個(gè)懸臂梁，巷旁支護(hù)體支撐懸臂梁。但目前尚未有統(tǒng)一的、大家比較認(rèn)可的沿空留巷力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。

宋振騏院士與文志杰博士提出了“限定變形”和“給定變形”2種力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)這一思想，建立沿空留巷條件下“給定變形”和“限定變形”力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。所謂“限定變形”是指承載體承擔(dān)起大結(jié)構(gòu)內(nèi)覆巖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用載荷，對(duì)巷道進(jìn)行支承保護(hù)作。力學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

所謂“給定變形”是指承載體（充填體）不承擔(dān)大結(jié)構(gòu)內(nèi)覆巖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用載荷，僅承擔(dān)支承范圍內(nèi)直接頂載荷，并對(duì)巷道進(jìn)行密封保護(hù)、隔絕采空區(qū)作用。力學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

郭育光對(duì)高水灰渣巷旁充填體的作用機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為巷旁支護(hù)應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的特點(diǎn)。隨著工作面推進(jìn)，巷旁支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到切頂阻力，當(dāng)基本頂彎矩在巷旁支護(hù)邊緣附近達(dá)到極限時(shí)，切斷基本頂?？迓涞捻肥錆M采空區(qū)時(shí)，更上位巖層在煤體和矸石的支撐下，取得運(yùn)動(dòng)平衡，巷道圍巖變形趨向緩和。巷旁支護(hù)阻力大小應(yīng)根據(jù)塊體不同時(shí)期的平衡條件推導(dǎo)出不同時(shí)期的巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算式，并分別就切頂阻力與后期穩(wěn)定阻力進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)結(jié)果，切頂阻力大于后期穩(wěn)定阻力，對(duì)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

（二）沿空留巷技術(shù)

目前，典型的沿空留巷技術(shù)主要有以下五類：柔模混凝土沿空留巷技術(shù)、模架混凝土沿空留巷技術(shù)、高水材料沿空留巷技術(shù)、鋼管混凝土沿空留巷技術(shù)、切頂沿空留巷技術(shù)。

柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)是采用柔模作模板、通過混凝土施工設(shè)備向柔模內(nèi)注入混凝土形成巷旁連續(xù)墻。如圖3所示。

模架混凝土沿空留巷技術(shù)是采用模板支架作模板，通過混凝土施工設(shè)備向其內(nèi)注入混凝土形成巷旁連續(xù)墻。如圖4所示。

高水材料沿空留巷技術(shù)是采用柔性充填袋及鋼筋網(wǎng)、雙托板錨桿形成模板，向其內(nèi)注入高水材料形成巷旁連續(xù)墻。高水材料的強(qiáng)度一般為2-5MPa，輸送距離可達(dá)2000m。如圖5所示。

鋼管混凝土沿空留巷技術(shù)是采用鋼管做模板，向其內(nèi)注入混凝土形成間隔布置的墩柱，墩柱中間堆砌墻體形成巷旁支護(hù)帶。鋼管混凝土墩柱由于鋼管的約束作用，內(nèi)部的混凝土一直處于三向應(yīng)力狀態(tài)，兩者結(jié)合所能承受的載荷將大于各自的承載能力之和。如圖6所示。

切頂沿空留巷技術(shù)是采用爆破技術(shù)與礦山壓力，頂板沿預(yù)裂切縫自動(dòng)切落形成巷幫，保留巷道，實(shí)現(xiàn)沿空留巷無煤柱開采的技術(shù)。如圖7所示。上述五類技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下表1所示：

（三）沿空留巷設(shè)備endprint

沿空留巷技術(shù)不同，所用的設(shè)備也有所不同。典型沿空留巷技術(shù)主要適用設(shè)備如下表2所示：

（四）沿空留巷應(yīng)用與發(fā)展

近十年來，沿空留巷應(yīng)用范圍大幅拓展，技術(shù)發(fā)展水平大幅提高，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）煤層厚度：由薄煤層發(fā)展到中厚煤層、厚煤層至綜放開采煤層。潞安集團(tuán)高河煤礦采用柔模沿空留巷技術(shù)，主采煤層厚度6.5～7.4m，平均7.0m。工作面傾向長320m，走向長1777m。工作面采用走向長壁后退式低位放頂煤全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法，采高3.5 m，循環(huán)進(jìn)度0.8m，放煤高度3.5m，工作面采用三八作業(yè)制度，兩采一準(zhǔn)作業(yè)方式，檢修班澆筑墻。

（2）留巷速度：神東煤炭集團(tuán)所屬上灣煤礦及榆家梁煤礦采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)，煤層厚度3.8m，日推采與留巷速度達(dá)到15m，已應(yīng)用6個(gè)綜采工作面。

（3）機(jī)械化水平：沿空留巷機(jī)械化水平大幅提高，出現(xiàn)了沿空留巷擋矸支架，擋矸支架位于采空區(qū)，支護(hù)頂板并擋矸，為施工作業(yè)人員創(chuàng)造了安全作業(yè)空間，同時(shí)采用無線遙控，進(jìn)一步提高了安全作業(yè)水平。

（4）埋深：傳統(tǒng)認(rèn)為，沿空留巷受埋深影響較大，深部開采沿空留巷難度大，而目前多個(gè)礦井已實(shí)現(xiàn)了千米深井沿空留巷，如三河尖煤礦沿空留巷煤層埋深達(dá)到了1050m、濟(jì)寧安居煤礦沿空留巷煤層達(dá)到了1070m。深井沿空留巷的成功應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)觀念，證明埋深并不是制約沿空留巷應(yīng)用范圍的關(guān)鍵因素。

（5）巷道使用范圍：由兩順槽應(yīng)用沿空留巷發(fā)展到切眼沿空留巷、回撤通道沿空留巷。應(yīng)用礦井有峰峰集團(tuán)九龍煤礦、羊渠河煤礦。

（6）圍巖條件：沿空留巷應(yīng)用到軟巖巷道中，如神華寧煤集團(tuán)的靈新煤礦、淮南礦業(yè)集團(tuán)與朱集煤礦。

（7）雙突礦井：沿空留巷對(duì)于治理瓦斯及防沖擊礦壓有先天優(yōu)勢(shì)。很多高瓦斯礦井為了解決瓦斯超限都采用了沿空留巷+Y型通風(fēng)技術(shù)，如韓城礦業(yè)下屬的桑樹坪煤礦、象山煤礦、下峪口煤礦，山西焦煤集團(tuán)華晉焦煤公司沙曲煤礦，川煤芙蓉集團(tuán)白皎煤礦等。

三、沿空掘巷發(fā)展現(xiàn)狀

沿空留巷實(shí)施有難度的工作面，可以采用沿空掘巷。傳統(tǒng)沿空留巷方式是留小煤柱沿空掘巷，小煤柱用于隔絕采空區(qū)的水、火、瓦斯等有害氣體，但小煤柱易壓碎漏風(fēng)，掘進(jìn)過程中易同采空區(qū)貫通，安全性差，一般應(yīng)用于圍巖壓力較小、頂板穩(wěn)定性較好的地質(zhì)條件。國外學(xué)者針對(duì)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，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。

隨著沿空留巷巷旁充填技術(shù)的發(fā)展，將巷旁連續(xù)墻的施工工藝應(yīng)用到了沿空掘巷。此馬立強(qiáng)提出巷內(nèi)預(yù)充填無煤柱開采技術(shù)。即在上區(qū)段回采工作面前方的運(yùn)輸平巷內(nèi)，緊靠下一區(qū)段的巷幫煤壁，預(yù)置一條矸石混凝土巷內(nèi)充填帶，下區(qū)段回風(fēng)平巷掘進(jìn)時(shí)，沿預(yù)置的充填帶進(jìn)行掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)厚煤層工作面無煤柱開采，用預(yù)置充填帶把上下2個(gè)區(qū)段間應(yīng)留設(shè)的區(qū)段煤柱置換出來。若上區(qū)段運(yùn)輸平巷為普通斷面，如要實(shí)施此項(xiàng)新技術(shù)，首先，對(duì)上區(qū)段運(yùn)輸平巷靠近下區(qū)段工作面?zhèn)鹊拿罕冢瑢?shí)施擴(kuò)幫和支護(hù)；然后，在工作面前方擴(kuò)幫位置處緊靠煤壁實(shí)施充填，預(yù)置巷內(nèi)充填帶。如圖9所示。

棗莊礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司高莊煤礦西五采區(qū)的3上507與3上509工作面主采3上煤層，煤層厚度平均為5.5 m，煤層傾角平均為19°。3上507工作面采用綜采放頂煤工藝，3上509工作面采用大采高綜采工藝。兩工作面回采巷道及切眼均沿3上煤層底板掘進(jìn)，并采用錨網(wǎng)梯支護(hù)方式。采用巷內(nèi)預(yù)充填無煤柱開采技術(shù)回收煤柱，墻體厚度1.6m，高度4.0m。在3上509工作面回采期間對(duì)充填體進(jìn)行了壓力測(cè)試，結(jié)果表明，其平均抗壓強(qiáng)度約19.2 MPa，滿足強(qiáng)度要求，巷道圍巖和充填體幾乎沒有明顯變形。矸石渣混凝土墻經(jīng)受住了2次采動(dòng)影響，完全優(yōu)于傳統(tǒng)窄煤柱的支護(hù)效果，保證了工作面的正常開采。實(shí)踐證明，厚煤層巷內(nèi)預(yù)置充填帶無煤柱開采技術(shù)取了成功。如圖10所示。

常村礦S511工作面實(shí)施巷內(nèi)預(yù)置混凝土墻無煤柱開采技術(shù)，通過構(gòu)筑充填體將窄煤柱置換出煤柱。S511工作面主采3號(hào)煤層，煤層埋藏深度為423-470 m，煤層厚度平均6 m左右，煤層松軟。充填墻體厚度2.3m，高度3.5m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30。在S511工作面回采階段，兩幫變形量較小，頂?shù)装遄畲笠平繛?80mm，充填體較完整，平均壓力為18.6 MPa。在S510工作面回采期間，充填體壓力升高，平均壓力為23.3MPa，充填體肩角發(fā)生剪切破壞，巷道局部區(qū)域頂板下沉量較大，且伴隨底鼓發(fā)生、頂?shù)装遄畲笠平繛?80mm，幫部位移量較小，兩幫及頂?shù)讕偷囊平烤?jīng)過加強(qiáng)處理后均在可控范圍以內(nèi)，滿足正常生產(chǎn)要求。

四、無煤柱開采技術(shù)改進(jìn)建議

無煤柱開采技術(shù)近十年來取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，但在以下幾個(gè)方面仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)：

（1）進(jìn)一步優(yōu)化巷旁支護(hù)材料。巷旁充填墻作為沿空留巷與沿空掘巷的主要承載體，是無煤柱開采的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)之一，針對(duì)沿空巷道受力特點(diǎn)，巷旁充填體需要具有“兩強(qiáng)一高一超”的特點(diǎn)：即早強(qiáng)、高強(qiáng)、高壓縮性及超遠(yuǎn)距離輸送。

（2）進(jìn)一步優(yōu)化混凝土運(yùn)輸及施工設(shè)備。混凝土運(yùn)輸目前仍有很大的改進(jìn)空間。對(duì)于高產(chǎn)高效礦井厚煤層沿空留巷，混凝土使用量很大，達(dá)到70W/8h，如何及時(shí)有效運(yùn)輸混凝土干料（或濕料）是一個(gè)難題。在這方面，神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦應(yīng)用柔模混凝土沿空留巷技術(shù)，前期采用混凝土干料，通過地面鉆孔投料+井下無軌膠輪車的運(yùn)輸方式，后期采用地面攪拌濕料+混凝土罐車的運(yùn)輸方式，兩種方式都高效的解決了大量混凝土的運(yùn)輸問題。也可以考慮采用其他運(yùn)輸方式解決，如風(fēng)力遠(yuǎn)距離輸送?；炷潦┕ぴO(shè)備是筑墻的關(guān)鍵設(shè)備，墻體能否及時(shí)澆筑關(guān)系到是否能夠正常割煤生產(chǎn)，因此，需要進(jìn)一步提高混凝土施工設(shè)備的可靠性。

（3）沿空留巷擋矸支架系列化。擋矸支架作為一種新型的支架，是專為沿空留巷而研制，對(duì)于提高沿空留巷機(jī)械化水平、保障安全生產(chǎn)具有重要意義。目前剛開始應(yīng)用，針對(duì)不同礦井需要開發(fā)不同型號(hào)的產(chǎn)品，由此，應(yīng)將沿空留巷擋矸支架系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，便于提高質(zhì)量及推廣應(yīng)用。

（4）加強(qiáng)理論研究，促進(jìn)理論與現(xiàn)場(chǎng)最佳結(jié)合，并用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

（5）盡快形成無煤柱開采設(shè)計(jì)規(guī)范，便于推廣應(yīng)用。

五、結(jié)論

（1）無煤柱開采技術(shù)是科學(xué)綠色安全開采的重要組成部分，經(jīng)過60余年幾輩煤炭科研工作者的努力，取得了顯著的進(jìn)步，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，應(yīng)用效果大幅提高，科技水平明顯躍升。

（2）沿空留巷是技術(shù)上更為先進(jìn)和合理的無煤柱開采方式，是降本增效、提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益的有效手段，正確加以應(yīng)用能獲得比沿空掘巷更好的綜合效益，因此，凡是有條件的礦井應(yīng)將沿空留巷作為首選方案。

（3）無煤柱開采技術(shù)目前應(yīng)用率仍然較低，需要煤炭工作者共同努力，進(jìn)一步提高無煤柱開采技術(shù)水平及管理水平，實(shí)現(xiàn)科技興企、科技興煤，為企業(yè)創(chuàng)造更好的效益。endprint