沿空掘巷是什么?关于沿空掘巷的详细介绍

创闻科学2020-11-16 14:57:00

沿空掘巷指的是完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱掘进巷道,沿空掘巷是无煤柱护巷的主要形式,在国内已得到广泛应用,它一般适用于开采缓斜和倾斜、厚度在2m以下的薄及中厚煤层,沿空掘巷与留煤柱时相比,不仅可减少区段煤柱损失,而且可大量减少平巷掘进工程量,大大减少巷道掘进与维护的工程量。

基本概念

沿空掘巷就是完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱掘进巷道,也就是说把沿空巷道布置在靠煤柱一侧的低应力场,便于巷道维护,减少巷道围岩变形量,沿空掘巷分为完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷两种,采用沿空掘巷能够大大加快巷道掘进速率,对于缓解矿井采掘接替有着重要的意义。

沿空掘巷发展历程

沿空掘巷的发展历程可分为 4 个阶段:

第1阶段20世纪50年代,我国已有个别矿井尝试应用沿空掘巷,可以说是沿空掘巷技术在我国发展的初级阶段。

第2阶段 20 世纪60-70年代,我国已较深入研究开采引起的围岩应力分布规律,系统地阐明了巷道在采动期间的矿压显现规律,深刻揭示了巷道布置与矿压显现之间的内在联系,沿空掘巷技术得到进一步发展,部分国有重点煤矿开始应用沿空掘巷。

第3阶段20世纪80-90年代末,沿空掘巷技术逐步完善,回采巷道布置和护巷方式发生了一次重大改革,沿空掘巷技术得到广泛应用,煤柱损失大幅度下降,大大增加了煤炭资源的回收率,逐渐在我国各大矿区得到推广。

第4阶段21世纪以来,随着锚杆支护技术的发展,沿空掘巷围岩控制技术基本成熟。在大采高、复合顶板、厚层泥岩顶板、厚煤层、“三软”煤层、薄基岩厚表土、深井综放、高地应力、大倾角等条件下的沿空掘巷都取得了良好的效果。

沿空掘巷分类

沿空掘巷根据巷道的布置形式,可以分为完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留较宽煤柱沿空掘巷三种,顾名思义,完全沿空掘巷是将巷道布置在采空区边缘的煤体内,巷道的另一为采空区的破碎矸石;留宽煤柱沿空掘巷是在采空区边缘留设宽15-20m左右的煤柱,然后在煤体内掘进巷道;留窄煤柱沿空掘巷就是在采空区留设较窄宽度的煤柱;原位沿空掘巷作为一种新的表述方式,是指将巷道布置在冒落矸石中的特殊情况,目的是为了区别于传统的完全沿空掘巷,基本布置形式如图(潘继良,2017)所示。

沿空掘巷围岩控制技术

20世纪90年代以前,对于中厚煤层的沿空掘巷多用金属支架维护,主要使用矿用工字钢梯形支架和U型钢拱形可缩支架,这2种支护方式属被动支护,支架支护强度较低,折损严重,支护效果相对较差。随着煤矿生产集中化程度的提高,大型设备的应用,采高显著增加,巷道断面扩大,金属支架已不能满足巷道支护要求。20世纪90年代后高强度锚杆支护技术得到快速发展,使得沿空掘巷越来越依赖于锚杆支护技术,在复杂地质条件下的沿空掘巷采用锚杆支护也取得了显著效果,如迎采动工作面留窄煤柱沿空掘巷、孤岛工作面留窄煤柱沿空掘巷、综放工作面留窄煤柱沿空掘巷。

顶帮强化控制技术

沿空掘巷顶底板、两帮是有机统一的整体,尤其是窄煤柱和顶板强度小、破碎,承载能力小、稳定性差,而且围岩具有大变形的特点,所以锚杆支护强度、预紧力、锚固长度及合理的锚杆支护技术对保持该类巷道围岩稳定至关重要。顶帮控制技术主要有以下4个方面:

( 1) 新型 “三高”锚杆支护体系,即高强度、高刚度和高预紧力锚杆支护体系 在基本顶弧形三角块结构的回转、变形和下沉的过程中,支护体与围岩性的小结构要适应上覆岩层大结构的给定变形,保证锚固体具高强度、高刚度,使破碎围岩残余强度得到强化,承受更大的载荷,有效控制沿空掘巷围岩变形。高预紧力可以提高破碎围岩的力学参数,改变围岩应力状态,抑制围岩离层、结构面滑动和节理裂隙的张开,防止围岩强度过早弱化,提高其承载能力,实现锚杆的主动、及时支护作用。

( 2) 树脂药卷全长锚固或加长锚固 由于沿空掘巷的围岩都较为破碎,采用端头锚固方式,锚固力会急剧下降,丧失支护能力,而采用全长锚固或加长锚固,可提高锚杆锚固力。为保证破碎围岩的锚杆锚固力,所以应采用全长锚固或加长锚固。

( 3) 小孔径锚索加强支护 如果锚固体外煤体发生较大离层,达到一定程度就会导致顶板垮落,为了防止冒顶事故,可以采用小孔径预应力锚索加强支护。

( 4) 加强护顶护帮能力 顶帮围岩较为破碎,为防止锚杆之间煤岩体冒落和窄煤柱片帮,应采用一些辅助支护措施,如钢筋梯子梁与金属网配合,梁和网具有较大的强度,能提供可靠的护表能力,保证围岩有较高的稳定性。

底鼓控制技术

沿空掘巷的两帮为软弱煤体,而且一侧为窄煤柱,直接影响到底板的稳定性。沿空掘巷底鼓的控制技术为:

(1) 强化顶板支护,保持顶板整体的完整性,将顶板压力向实体煤帮深部转移,减小实体煤帮浅部载荷,从而减小底板载荷。

(2) 加固巷道帮、角,尤其是实体煤侧帮、角可有效地控制回采巷道底鼓。加固实体煤侧帮、角后,提高了底板的抗拉强度,增加了实体煤侧底板的围压,使实体煤层底板不易被破坏,同时阻止了向巷道内的塑性流动。

注浆加固技术

采用注浆加固沿空掘巷破碎围岩,能显著提高破碎煤岩体的残余强度,能有效抑制锚杆锚固力随围岩变形量增大急剧衰减。注浆加固与锚杆支护共同作用,显著提高了顶帮破碎煤岩体的变形能力。另外,注浆加固窄煤柱也可封闭采空区,防止采空区积水软化煤岩体,降低窄煤柱强度,阻止瓦斯等有害气体涌出,避免窄煤柱漏风造成上区段采空区遗留煤炭自燃。注浆加固技术显著改善破碎围岩巷道维护的状况,现阶段使用的注浆材料主要有: 化学类的丙烯酰胺类、聚氨脂类; 水泥类的单液水泥浆和水泥、水玻璃双液浆; ZKD 高水速凝材料。

沿空掘巷围岩控制技术存在的问题

目前,我国在沿空掘巷技术的应用方面积累了丰富的经验,从薄煤层到厚煤层,从缓倾斜煤层到急倾斜煤层,都取得了显著的效果。但是,由于我国煤矿地质条件复杂,在沿空掘巷技术研究与应用中仍存在着不足之处,沿空掘巷围岩控制理论研究和支护技术方面还存在一定问题。

(1) 基本顶弧形三角块的回转下沉及稳定状况直接决定沿空掘巷的稳定性。在工作面采动影响后,弧形三角块结构受力情况和稳定状态更为复杂,目前对基本顶弧形三角块稳定性研究较少,应对沿空掘巷上覆岩层活动规律、弧形三角块结构在采掘不同时期的运动状况和巷道围岩应力分布规律进行分析,揭示沿空掘巷在不同阶段的应力分布规律和变形特点。

(2) 窄煤柱是沿空掘巷围岩结构的重要组成部分,它的稳定性直接关系到沿空掘巷的稳定。确定窄煤柱的合理宽度是保证窄煤柱稳定的关键因素,国内外学者对煤柱的合理宽度还没有统一的认识,有待于对采煤工作面沿倾斜方向矿压显现规律及沿空掘巷围岩变形、破坏规律进行深入研究。

(3) 沿空掘巷围岩破碎、强度低、应力复杂,锚杆支护强度及锚固体厚度成为影响巷道围岩稳定的一个重要因素。在采动影响后,锚固体处于破碎区和塑性区内,其稳定性对锚杆支护强度及锚固体厚度更加敏感。目前,对破碎煤岩体和两个自由面的窄煤柱采用锚杆支护的锚固机理研究较少,需进一步研究。

(4) 沿空掘巷底板控制难度大,普遍采用间接加固,底板钻锚注一体化加固技术如何在沿空掘巷中应用,有待进一步解决。

沿空掘巷围岩控制技术展望

井工开采中,实现科学开采模式依赖于井下可靠的巷道支护系统。针对沿空掘巷的发展现状,结合煤矿的实际情况,提出如下展望:

(1) 采用更为先进的研究方法和手段,如光潜光栅监测技术,进一步深入研究上覆岩层活动规律、沿空掘巷树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性和围岩应力分布。结合具体的工程地质条件,设计合理的支护形式,并进行支护参数设计,使支护体能适应沿空掘巷围岩活动规律的要求。

(2) 单一的超高强度锚杆支护向多手段高强度联合支护转化,将高强度锚杆支护体系、架棚支护、注浆加固技术相结合,充分发挥各种支护方式的优点,综合应用,满足复杂地质条件下沿空掘巷的使用。

(3) 沿空掘巷底板直接加固需要在施工机具、工艺要求寻求突破,尤其是深井厚煤层沿空掘巷,积极有效加固底板,构建闭式承载结构,以推动沿空掘巷围岩控制技术更广泛地应用。