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)，分別對上述5項技術(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)效果的一項先進(jìn)煤炭開采工藝。推行無煤柱開采，不僅對生產(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劃的取消區(qū)段煤柱的試驗。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，對回風(fēng)順槽實行沿空掘巷，以取消采區(qū)隔離煤柱。此時，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)效益和社會效益，使這項技術(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)量累計達(dá)到2156個，無煤柱開采產(chǎn)量累計達(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?；炷翢o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)）。控制沿空留巷圍巖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)覆巖運動產(chǎn)生的作用載荷，對巷道進(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)覆巖運動產(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。

郭育光對高水灰渣巷旁充填體的作用機理進(jìn)行研究，認(rèn)為巷旁支護(hù)應(yīng)具有早期強度高、增阻速度快的特點。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，切斷基本頂?？迓涞捻肥錆M采空區(qū)時，更上位巖層在煤體和矸石的支撐下，取得運動平衡，巷道圍巖變形趨向緩和。巷旁支護(hù)阻力大小應(yīng)根據(jù)塊體不同時期的平衡條件推導(dǎo)出不同時期的巷旁支護(hù)阻力的計算式，并分別就切頂阻力與后期穩(wěn)定阻力進(jìn)行了計算，根據(jù)結(jié)果，切頂阻力大于后期穩(wěn)定阻力，對設(shè)計有指導(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?；炷裂乜樟粝锛夹g(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)裂切縫自動切落形成巷幫，保留巷道，實現(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個綜采工作面。

（3）機械化水平：沿空留巷機械化水平大幅提高，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，而目前多個礦井已實現(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：沿空留巷對于治理瓦斯及防沖擊礦壓有先天優(yōu)勢。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巷道處于裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，受采動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，沿預(yù)置的充填帶進(jìn)行掘進(jìn)，實現(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)段運輸平巷為普通斷面，如要實施此項新技術(shù)，首先，對上區(qū)段運輸平巷靠近下區(qū)段工作面?zhèn)鹊拿罕冢瑢嵤U(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工作面回采期間對充填體進(jìn)行了壓力測試，結(jié)果表明，其平均抗壓強度約19.2 MPa，滿足強度要求，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)計強度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)鍵點之一，針對沿空巷道受力特點，巷旁充填體需要具有“兩強一高一超”的特點：即早強、高強、高壓縮性及超遠(yuǎn)距離輸送。

（2）進(jìn)一步優(yōu)化混凝土運輸及施工設(shè)備?；炷吝\輸目前仍有很大的改進(jìn)空間。對于高產(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，如何及時有效運輸混凝土干料（或濕料）是一個難題。在這方面，神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦應(yīng)用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(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輸方式，后期采用地面攪拌濕料+混凝土罐車的運輸方式，兩種方式都高效的解決了大量混凝土的運輸問題。也可以考慮采用其他運輸方式解決，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，對于提高沿空留巷機械化水平、保障安全生產(chǎn)具有重要意義。目前剛開始應(yīng)用，針對不同礦井需要開發(fā)不同型號的產(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）加強理論研究，促進(jìn)理論與現(xiàn)場最佳結(jié)合，并用來指導(dǎo)設(shè)計與應(yīng)用。

（5）盡快形成無煤柱開采設(shè)計規(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，實現(xiàn)科技興企、科技興煤，為企業(yè)創(chuàng)造更好的效益。endprint