无煤柱开采技术发展现状及改进建议

吴玉意

[摘要]本文就无煤柱开采技术的技术发展历程及现状进行了梳理。目前，应用较多、具有代表性的无煤柱开采技术有柔模混凝土沿空留巷技术、高水材料沿空留巷技术、模板支架混凝土沿空留巷技术、钢管混凝土沿空留巷技术及切顶沿空留巷技术，分别对上述5项技术进行了介绍，还介绍了沿空掘巷目前的进展情况。针对当前无煤柱开采技术中存在的问题给出了改进建议。

[关键词]无煤柱开采 沿空留巷 沿空掘巷

无煤柱开采是提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量，改善巷道维护，治理瓦斯超限，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果的一项先进煤炭开采工艺。推行无煤柱开采，不仅对生产矿井进行技术改造、缓解采掘紧张关系和延长矿井寿命具有现实意义，而且也是使煤炭企业改善安全生产条件和技术经济指标，降本增效的重要途径。无煤柱开采包括沿空留巷无煤柱开采和沿空掘巷无煤柱开采。沿空留巷是在回采工作面后方靠采空区侧用特殊的方式将采过的巷道保留下来为下一个工作面服务，边采边留巷；沿空掘巷是在采空区冒落压实后，在采空区边缘掘进巷道。沿空留巷减少了煤柱和巷道，沿空掘巷减少了煤柱但不减少巷道。

一、无煤柱开采技术发展阶段

我国无煤柱开采最早可追溯到建国初期，大体经历了以下四个发展阶段：

第一阶段：20世纪50年代至60年代，初期自发应用阶段。无煤柱开采的雏形早在50年代初期就出现，最初是在一些薄煤层中采用矸石代替煤柱来维护上区段顺槽，而作为下区段的回风顺槽，如枣庄、峰峰、淄博等矿区都有应用。60年代初期，我国部分矿井开始有计划的取消区段煤柱的试验。峰峰矿务局各生产矿井先后在大煤工作面采用单巷布置，对回风顺槽实行沿空掘巷，以取消采区隔离煤柱。此时，无煤柱在我国开始兴起，但未能总结和推广。

第二阶段：20世纪70年代至80年代，宣传试用阶段。我国广泛宣传和试用无煤柱开采技术，带来了明显的经济效益和社会效益，使这项技术的先进性和合理性很快得到了公认，此期间全国统配煤矿采用沿空掘巷和沿空留巷的工作面数量累计达到2156个，无煤柱开采产量累计达2.8亿吨。在1.15～2.15m厚的煤层中应用密集支柱、木垛、矸石带、砌块等作为巷旁支护，巷内多采用木棚、工字钢梯形支架支护，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的应用。

第三阶段：20世纪90年代至21世纪00年代，快速发展阶段。我国煤矿工作者在引进、吸收国外的沿空留巷技术的基础上，发展了巷旁充填护巷技术，主要有高水材料沿空留巷技术及模板支架筑墙沿空留巷技术。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。

第四阶段：21世纪10年代，发展应用新阶段。针对巷旁充填技术存在的一些问题，西安科技大学开发了柔模混凝土无煤柱开采技术，在不同地质工程条件中得到了广泛应用。中国矿业大学开发了切顶沿空留巷技术，目前主要应用在薄及中厚煤层。

二、沿空留巷发展现状

（一）沿空留巷理论

沿空留巷的关键是巷旁支护，本质是围岩控制（支护）。控制沿空留巷围岩变形是衡量留巷效果的主要因素。目前，大家比较统一的认识是：沿空留巷上部顶板在锚索支护及煤帮固定作用下形成一个悬臂梁，巷旁支护体支撑悬臂梁。但目前尚未有统一的、大家比较认可的沿空留巷力学结构模型。

宋振骐院士与文志杰博士提出了“限定变形”和“给定变形”2种力学结构模型，根据这一思想，建立沿空留巷条件下“给定变形”和“限定变形”力学结构模型。所谓“限定变形”是指承载体承担起大结构内覆岩运动产生的作用载荷，对巷道进行支承保护作。力学结构见图1所示。

所谓“给定变形”是指承载体（充填体）不承担大结构内覆岩运动产生的作用载荷，仅承担支承范围内直接顶载荷，并对巷道进行密封保护、隔绝采空区作用。力学结构如图2所示。

郭育光对高水灰渣巷旁充填体的作用机理进行研究，认为巷旁支护应具有早期强度高、增阻速度快的特点。随着工作面推进，巷旁支护阻力应达到切顶阻力，当基本顶弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。垮落的矸石充满采空区时，更上位岩层在煤体和矸石的支撑下，取得运动平衡，巷道围岩变形趋向缓和。巷旁支护阻力大小应根据块体不同时期的平衡条件推导出不同时期的巷旁支护阻力的计算式，并分别就切顶阻力与后期稳定阻力进行了计算，根据结果，切顶阻力大于后期稳定阻力，对设计有指导意义。

（二）沿空留巷技术

目前，典型的沿空留巷技术主要有以下五类：柔模混凝土沿空留巷技术、模架混凝土沿空留巷技术、高水材料沿空留巷技术、钢管混凝土沿空留巷技术、切顶沿空留巷技术。

柔模混凝土沿空留巷技术是采用柔模作模板、通过混凝土施工设备向柔模内注入混凝土形成巷旁连续墙。如图3所示。

模架混凝土沿空留巷技術是采用模板支架作模板，通过混凝土施工设备向其内注入混凝土形成巷旁连续墙。如图4所示。

高水材料沿空留巷技术是采用柔性充填袋及钢筋网、双托板锚杆形成模板，向其内注入高水材料形成巷旁连续墙。高水材料的强度一般为2-5MPa，输送距离可达2000m。如图5所示。

钢管混凝土沿空留巷技术是采用钢管做模板，向其内注入混凝土形成间隔布置的墩柱，墩柱中间堆砌墙体形成巷旁支护带。钢管混凝土墩柱由于钢管的约束作用，内部的混凝土一直处于三向应力状态，两者结合所能承受的载荷将大于各自的承载能力之和。如图6所示。

切顶沿空留巷技术是采用爆破技术与矿山压力，顶板沿预裂切缝自动切落形成巷帮，保留巷道，实现沿空留巷无煤柱开采的技术。如图7所示。上述五类技术优点如下表1所示：

（三）沿空留巷设备endprint

沿空留巷技术不同，所用的设备也有所不同。典型沿空留巷技术主要适用设备如下表2所示：

（四）沿空留巷应用与发展

近十年来，沿空留巷应用范围大幅拓展，技术发展水平大幅提高，主要表现在以下方面：

（1）煤层厚度：由薄煤层发展到中厚煤层、厚煤层至综放开采煤层。潞安集团高河煤矿采用柔模沿空留巷技术，主采煤层厚度6.5～7.4m，平均7.0m。工作面倾向长320m，走向长1777m。工作面采用走向长壁后退式低位放顶煤全部垮落式综合机械化采煤法，采高3.5 m，循环进度0.8m，放煤高度3.5m，工作面采用三八作业制度，两采一准作业方式，检修班浇筑墙。

（2）留巷速度：神东煤炭集团所属上湾煤矿及榆家梁煤矿采用柔模混凝土沿空留巷技术，煤层厚度3.8m，日推采与留巷速度达到15m，已应用6个综采工作面。

（3）机械化水平：沿空留巷机械化水平大幅提高，出现了沿空留巷挡矸支架，挡矸支架位于采空区，支护顶板并挡矸，为施工作业人员创造了安全作业空间，同时采用无线遥控，进一步提高了安全作业水平。

（4）埋深：传统认为，沿空留巷受埋深影响较大，深部开采沿空留巷难度大，而目前多个矿井已实现了千米深井沿空留巷，如三河尖煤矿沿空留巷煤层埋深达到了1050m、济宁安居煤矿沿空留巷煤层达到了1070m。深井沿空留巷的成功应用，突破了传统观念，证明埋深并不是制约沿空留巷应用范围的关键因素。

（5）巷道使用范围：由两顺槽应用沿空留巷发展到切眼沿空留巷、回撤通道沿空留巷。应用矿井有峰峰集团九龙煤矿、羊渠河煤矿。

（6）围岩条件：沿空留巷应用到软岩巷道中，如神华宁煤集团的灵新煤矿、淮南矿业集团与朱集煤矿。

（7）双突矿井：沿空留巷对于治理瓦斯及防冲击矿压有先天优势。很多高瓦斯矿井为了解决瓦斯超限都采用了沿空留巷+Y型通风技术，如韩城矿业下属的桑树坪煤矿、象山煤矿、下峪口煤矿，山西焦煤集团华晋焦煤公司沙曲煤矿，川煤芙蓉集团白皎煤矿等。

三、沿空掘巷发展现状

沿空留巷实施有难度的工作面，可以采用沿空掘巷。传统沿空留巷方式是留小煤柱沿空掘巷，小煤柱用于隔绝采空区的水、火、瓦斯等有害气体，但小煤柱易压碎漏风，掘进过程中易同采空区贯通，安全性差，一般应用于围岩压力较小、顶板稳定性较好的地质条件。国外学者针对窄煤柱的载荷、煤柱的宽度以及煤柱和围岩的力学性质等方面做了大量研究，认为留窄煤柱沿空掘巷时巷道处于裂隙发育区内，受采动影响后不能保证巷道安全，煤柱宽度应大于15m，一般不采用沿空掘巷。

随着沿空留巷巷旁充填技术的发展，将巷旁连续墙的施工工艺应用到了沿空掘巷。此马立强提出巷内预充填无煤柱开采技术。即在上区段回采工作面前方的运输平巷内，紧靠下一区段的巷帮煤壁，预置一条矸石混凝土巷内充填带，下区段回风平巷掘进时，沿预置的充填带进行掘进，实现厚煤层工作面无煤柱开采，用预置充填带把上下2个区段间应留设的区段煤柱置换出来。若上区段运输平巷为普通断面，如要实施此项新技术，首先，对上区段运输平巷靠近下区段工作面侧的煤壁，实施扩帮和支护；然后，在工作面前方扩帮位置处紧靠煤壁实施充填，预置巷内充填带。如图9所示。

枣庄矿业集团有限责任公司高庄煤矿西五采区的3上507与3上509工作面主采3上煤层，煤层厚度平均为5.5 m，煤层倾角平均为19°。3上507工作面采用綜采放顶煤工艺，3上509工作面采用大采高综采工艺。两工作面回采巷道及切眼均沿3上煤层底板掘进，并采用锚网梯支护方式。采用巷内预充填无煤柱开采技术回收煤柱，墙体厚度1.6m，高度4.0m。在3上509工作面回采期间对充填体进行了压力测试，结果表明，其平均抗压强度约19.2 MPa，满足强度要求，巷道围岩和充填体几乎没有明显变形。矸石渣混凝土墙经受住了2次采动影响，完全优于传统窄煤柱的支护效果，保证了工作面的正常开采。实践证明，厚煤层巷内预置充填带无煤柱开采技术取了成功。如图10所示。

常村矿S511工作面实施巷内预置混凝土墙无煤柱开采技术，通过构筑充填体将窄煤柱置换出煤柱。S511工作面主采3号煤层，煤层埋藏深度为423-470 m，煤层厚度平均6 m左右，煤层松软。充填墙体厚度2.3m，高度3.5m，设计强度C30。在S511工作面回采阶段，两帮变形量较小，顶底板最大移近量为280mm，充填体较完整，平均压力为18.6 MPa。在S510工作面回采期间，充填体压力升高，平均压力为23.3MPa，充填体肩角发生剪切破坏，巷道局部区域顶板下沉量较大，且伴随底鼓发生、顶底板最大移近量为380mm，帮部位移量较小，两帮及顶底帮的移近量均经过加强处理后均在可控范围以内，满足正常生产要求。

四、无煤柱开采技术改进建议

无煤柱开采技术近十年来取得了显著的技术进步，但在以下几个方面仍然需要进一步改进：

（1）进一步优化巷旁支护材料。巷旁充填墙作为沿空留巷与沿空掘巷的主要承载体，是无煤柱开采的技术关键点之一，针对沿空巷道受力特点，巷旁充填体需要具有“两强一高一超”的特点：即早强、高强、高压缩性及超远距离输送。

（2）进一步优化混凝土运输及施工设备。混凝土运输目前仍有很大的改进空间。对于高产高效矿井厚煤层沿空留巷，混凝土使用量很大，达到70W/8h，如何及时有效运输混凝土干料（或湿料）是一个难题。在这方面，神东煤炭集团上湾煤矿应用柔模混凝土沿空留巷技术，前期采用混凝土干料，通过地面钻孔投料+井下无轨胶轮车的运输方式，后期采用地面搅拌湿料+混凝土罐车的运输方式，两种方式都高效的解决了大量混凝土的运输问题。也可以考虑采用其他运输方式解决，如风力远距离输送。混凝土施工设备是筑墙的关键设备，墙体能否及时浇筑关系到是否能够正常割煤生产，因此，需要进一步提高混凝土施工设备的可靠性。

（3）沿空留巷挡矸支架系列化。挡矸支架作为一种新型的支架，是专为沿空留巷而研制，对于提高沿空留巷机械化水平、保障安全生产具有重要意义。目前刚开始应用，针对不同矿井需要开发不同型号的产品，由此，应将沿空留巷挡矸支架系列化、标准化，便于提高质量及推广应用。

（4）加强理论研究，促进理论与现场最佳结合，并用来指导设计与应用。

（5）尽快形成无煤柱开采设计规范，便于推广应用。

五、结论

（1）无煤柱开采技术是科学绿色安全开采的重要组成部分，经过60余年几辈煤炭科研工作者的努力，取得了显著的进步，应用范围日益扩大，应用效果大幅提高，科技水平明显跃升。

（2）沿空留巷是技术上更为先进和合理的无煤柱开采方式，是降本增效、提高煤矿经济效益的有效手段，正确加以应用能获得比沿空掘巷更好的综合效益，因此，凡是有条件的矿井应将沿空留巷作为首选方案。

（3）无煤柱开采技术目前应用率仍然较低，需要煤炭工作者共同努力，进一步提高无煤柱开采技术水平及管理水平，实现科技兴企、科技兴煤，为企业创造更好的效益。endprint