1 研究现状

无煤柱开采是通过合理的开拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘顺序, 取消护巷煤柱的采煤方法, 符合绿色开采的发展理念。其优势主要体现在: 减少掘进工程量, 降低掘进率, 缓解采掘接续的矛盾; 减少煤柱损失, 提高煤炭资源回收率; 消除煤柱应力集中引起的巷道大变形、煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害; 改善采煤工作面通风系统, 有利于解决瓦斯问题。

国外对无煤柱开采技术的研究已近一个世纪, 而我国也有70年左右的时间。通过国内外学者持续不断的研究, 获得大量研究成果, 并在煤矿生产中得到应用, 取得较好的效果。无煤柱开采工艺与方法很多, 适用于不同条件。笔者对无煤柱开采形式进行了初步划分^[1], 按照巷道与煤层开采的时空关系, 分为跨巷无煤柱开采、回采巷道无煤柱护巷开采、采空区维护巷道无煤柱开采, 如图1所示。其中, 应用较为广泛的是回采巷道无煤柱护巷开采中的沿空留巷与沿空掘巷。

无煤柱开采围岩控制的原则是通过取消护巷煤柱改善巷道应力环境, 同时通过支护与卸压手段, 保证巷道经受1~2个工作面的采动影响, 满足安全生产的要求。工作面开采后, 会在其周围形成一定范围的应力降低区, 包括采空区侧和采空区下方。跨巷无煤柱开采最终将巷道布置在采空区下方的应力降低区, 通过选择合理的巷道开掘时间、与工作面的水平和垂直错距, 确定巷道与工作面时空关系。回采巷道无煤柱护巷开采布置在采空区侧, 如图2所示。根据是否要掘巷, 分为沿空掘巷、沿空留巷及留掘复合。

对于沿空掘巷, 可分为完全沿空掘巷(图2(a)中位置1)、小煤柱沿空掘巷(图2(a)中位置2)及巷旁充填沿空掘巷, 其中小煤柱沿空掘巷并不是真正意义上的无煤柱开采。完全沿空掘巷不留任何煤柱, 导致巷道与采空区连通, 带来一系列安全问题而应用不多。留设小煤柱后, 既能使巷道与采空区隔离, 与中、宽煤柱相比又能减少煤炭资源损失, 因此, 小煤柱沿空掘巷得到广泛应用。小煤柱沿空掘巷的关键是确定合理的煤柱宽度, 过小的煤柱宽度无法保证煤柱的稳定性, 而过大的煤柱宽度(图2(a)中位置3), 可能使巷道处于峰值支承压力下最不利的位置。另外, 在时间上, 沿空掘巷必须沿已稳定的采空区边缘掘巷才能保证其处于应力降低区。为了实现既能取消煤柱又能隔离采空区, 开发了巷旁充填沿空掘巷技术^[2]。这种技术在上一个工作面运输巷中预置充填墙, 下一个工作面回风巷沿该充填墙掘进, 以充填墙代替小煤柱隔离采空区。小煤柱沿空掘巷技术经历了最初的研究探索, 到试验、推广应用, 再到优化和成熟, 目前已应用于薄及中厚煤层、厚及特厚煤层等各种条件。

对于沿空留巷, 与普通巷道相比其围岩变形破坏有显著特点。一是维护时间长: 从巷道掘进到报废要服务2个甚至更多工作面, 维护时间远长于一般巷道; 二是采动影响强烈: 巷道受到2个甚至更多工作面采动影响, 特别是工作面后方巷道一侧采空, 围岩应力调整剧烈, 采动影响程度明显大于一般巷道; 三是围岩变形大: 除一些简单条件外, 沿空留巷变形普遍比较大, 由随时间加长的围岩流变, 受2次或多次采动影响的显著变形等组成, 表现为不对称变形, 强烈底臌、帮鼓、顶板下沉, 巷道断面剧烈收缩等。

沿空留巷围岩控制技术一般可分为支护与卸压2个方面。支护技术分为巷内基本支护、巷内加强支护及巷旁支护。巷内基本支护是巷道在掘进过程中设置的支护, 一般为锚杆、锚索支护; 巷内加强支护是当受到工作面超前和滞后采动影响后设置在巷道内的加强支护, 包括单体支柱、各种液压支架(单元支架、门式支架、超前液压支架等)及锚杆、锚索等; 巷旁支护是当巷道靠工作面一侧的煤体不复存在后, 设置在巷道采空侧的支护体, 包括各种支柱(U型钢支柱、单体支柱、钢管混凝土支柱、泵充混凝土支柱等)、各种巷旁墙体(矸石墙、砖或混凝土块墙、混凝土充填墙、高水材料充填墙等)。早期的沿空留巷由于主要用于薄煤层和较薄的中厚煤层, 且巷道断面较小, 一些瓦斯、火灾、水灾不严重的矿井不设置巷旁墙体隔离采空区, 只采用支柱作为巷旁支护, 设置挂网、喷浆等简易的措施隔离采空区, 也能满足要求, 这就是无巷旁墙体的沿空留巷。随着沿空留巷断面越来越大、地质条件越来越复杂, 特别是从安全角度考虑, 沿空留巷一般应设置巷旁墙体, 最好是整体性、密封性高的充填体。在地质条件相对简单的条件下, 可以柱代替墙, 采用泵充混凝土支柱进行巷旁支护^[3], 在支柱间采用泡沫充填材料进行密封, 确保与采空区隔离。

当沿空留巷上方存在不易垮落的坚硬岩层, 形成较长悬顶时, 往往导致巷道采动影响强烈, 在这种情况下只采用支护很难有效控制围岩变形, 卸压是另一种围岩控制的有效途径。目前, 沿空留巷卸压方式主要有水力压裂法和爆破法, 目的是切断较长悬顶或弱化上方坚硬岩层, 使其在工作面采过后能及时垮落, 改善沿空留巷应力环境, 起到减小采动影响的作用。这2种卸压方法在井下均得到广泛应用。

经过国内大量学者的研究与实践, 我国沿空留巷技术不仅在简单条件, 而且在厚煤层、千米深井及松软破碎围岩等条件得到推广应用。留巷施工速度显著提高, 为无煤柱开采工作面快速推进创造了条件。但是, 对于一些地质条件复杂、应力高的矿井, 仍然存在留巷变形严重、返修次数多, 不能满足安全生产需求等问题。

2 存在问题

无煤柱开采围岩控制涉及矿井开拓部署、巷道布置、掘进技术与装备、巷道支护工艺技术、支护材料与装备、矿压监测技术等诸多内容, 是一项系统工程, 每一个环节出现问题都会影响围岩控制效果。一些矿井存在掘巷困难、留巷围岩变形大、充填材料消耗量大、人工投入多、施工速度慢、机械化程度低、返修量大、综合成本高、存在安全隐患等诸多问题, 不能保证安全生产。

(1)无煤柱开采总体规划不足。无煤柱开采需要提前谋划开拓部署、采煤方法与巷道布置, 尽量将巷道布置在应力降低区。统筹考虑矿井产量、服务年限及资源回收率, 实现经济效益最大化。对于煤层上方存在厚硬难垮岩层的矿井, 应提前进行顶板区域弱化, 从根本上消除强矿压。对于冲击地压矿井, 应采取源头治理技术, 有效解除冲击危险。

(2)沿空掘巷围岩结构还没有完全研究清楚, 在小煤柱尺寸设计、掘进时间、掘进工艺与装备、支护形式与参数等方面还需进一步优化。有些矿井小煤柱宽度选择不合理, 导致两个极端: 煤柱宽度过小, 煤柱破碎、稳定性差, 给掘进与支护带来很大困难; 煤柱宽度过大, 使巷道处于应力集中区, 围岩变形破坏严重。有些矿井在相邻采空区还没有稳定就开始掘巷, 存在“迎采对掘”的情况, 巷道变形较大。另外, 一些矿井沿空掘巷支护效果不理想, 特别是煤帮鼓出、底臌严重, 影响了巷道的正常使用。

(3)沿空留巷围岩应力、结构在掘进到报废全生命周期的演化规律研究不够, 特别是在深部、厚煤层、大断面等复杂困难条件下尤为如此。围岩控制技术未全面统筹考虑从掘进到留巷报废全过程巷道断面与支护的需求与协调。如对于有巷旁充填墙的沿空留巷, 充填墙占用巷道部分空间; 如掘进断面未考虑留巷变形, 断面不足需要二次刷帮, 显著增加留巷成本。在支护方面, 沿空留巷涉及巷内基本支护、加强支护及巷旁支护, 在掘进时没有充分考虑3种支护在空间与时间上的布置, 如单元支架加强支护没有错开顶板锚杆与锚索, 造成基本支护破坏。

(4)沿空留巷巷内基本支护、巷内加强支护、巷旁支护之间及与围岩在强度、刚度及变形能力等方面的匹配性不高。锚杆与锚索是以加固作用为主的主动支护, 单体液压支柱、各种沿空留巷专用加强支护液压支架是支撑式主动支护, 而巷旁充填墙则属于被动支护。这3种支护方式的支护原理不同, 实现它们之间的互补与时空协同还不够, 还不能充分发挥3种支护的作用。另外, 支护体与围岩的匹配也存在不少问题。如在软弱顶底板条件下, 当充填墙体的强度较高, 容易发生钻顶、钻底现象; 当充填墙体的强度较低, 对巷道围岩变形整体控制效果有限。

(5)巷旁支护阻力估算方法不可靠。对于有巷旁充填墙体的沿空留巷, 其成功的关键在于巷旁充填墙体的稳定。目前巷旁充填墙体的支护阻力计算公式有多种, 主要通过对侧向顶板结构和上覆关键层结构进行分析, 建立沿空留巷模型, 推导估算支护阻力的公式, 但巷内支护体与顶板岩层结构的相互作用机理研究较少, 支护阻力估算值与实际情况相差较大。

(6)巷旁充填材料成本较高。目前机械化程度比较高的巷旁泵充材料主要为混凝土和高水材料, 混凝土充填体的强度高, 同等条件充填体宽度小, 所需充填量较小; 高水材料充填体的强度低, 充填体宽度大, 所需充填量较大。但是, 为确保充填墙体的稳定性及隔离采空区的作用, 充填墙体应有一定的宽度, 导致留巷成本较高。

(7)巷道围岩卸压机理研究不深入, 支护与卸压协同作用原理不清晰。在何种条件下需要采用卸压措施界定不清楚。有些巷道卸压效果明显, 但也有部分巷道卸压效果没有达到预期目标。卸压参数设计处于定性阶段, 没有实现精确的定量化。支护和卸压共同控制围岩变形, 但两者的机理不同, 对支护与卸压的相互作用机理研究不够, 两者的协同作用原理不清晰。

(8)工作面快速推进与沿空留巷繁琐的施工工艺存在矛盾, 影响工作面推进速度与产量。在进行沿空留巷时, 综采队需要进行端头支架铺网、拉端头支架、拉挡矸支架、端头架后锚杆、锚索支护等工序, 沿空留巷施工队伍需要支设加强支护、吊挂模板、充填墙体浇筑、采空区喷涂等, 工艺比较繁琐, 且各项工序存在时间和空间的交叉, 配合不好就会影响工作面的推进速度。

(9)矿压监测与灾害预警系统不完善。目前矿压监测数据主要来自工作面支架、巷旁充填墙体、锚杆锚索、加强支架、围岩应力与变形, 因设备厂家及安设工艺不同, 存在接口不完善、数据不统一的情况。沿空留巷一侧是采空区, 且服务期限较长, 漏风、有毒有害气体、水灾、火灾等监测至关重要, 但数据多分散在不同系统中, 没有统一的规范, 不能及时融合分析、实时预警。

(10)沿空留巷施工自动化、智能化水平低。目前沿空留巷施工涉及的挡矸支架、加强支护支架、充填设备、搬运设备等关键设备自动化、智能化程度低, 很多工艺仍为人工操作, 劳动强度大、用人多、施工效率低。

3 发展方向

针对上述存在的问题, 提出无煤柱开采围岩控制的理念(图3)为总体规划、超前布局、支卸协同; 设计定量化、数智化; 工艺流程化、标准化; 材料系列化、绿色化; 装备自动化、智能化; 监测融合化、实时化。

(1)无煤柱围岩控制理念

无煤柱开采围岩控制属于系统工程, 应总体规划矿井开拓部署、采区与工作面开采顺序、工作面巷道布置等, 超前布局厚硬顶板弱化和高应力巷道卸压, 提前考虑掘巷与留巷断面及各种支护的关系, 实现成巷速度快、留巷效果好的目标。支护与卸压协同是保证围岩控制效果的重要手段, 应进一步明晰各种卸压技术的适用条件、卸压机理及支护与卸压协同作用原理, 丰富支护与卸压的组合方式, 拓展支护与卸压的应用场景。

(2)无煤柱开采围岩控制设计

一方面, 在深入研究围岩应力与结构演化规律, 进一步揭示主动与被动支护、基本与加强支护、巷内与巷旁支护、支护与卸压协同作用机理的基础上, 建立更合理的围岩结构力学模型, 提出更准确的围岩控制参数计算公式, 逐步实现定量化设计; 另一方面, 通过收集、分析大量井下监测数据, 建立无煤柱开采围岩控制大数据系统, 提出基于数据与理论驱动的数智化设计方法。

(3)无煤柱开采围岩控制工艺

针对无煤柱开采巷道掘进速度慢、效率低等问题, 研究合理的掘进模式, 优化掘进与支护工艺, 特别是锚杆、锚索施工工艺, 实现掘支平行作业。对于沿空留巷, 进一步简化留巷工艺, 实现流程化、标准化, 不断提高留巷速度, 满足工作面快速推进的要求。

(4)无煤柱开采围岩控制材料

研发系列化的无煤柱开采围岩控制材料, 包括适合围岩大变形、抗冲击的超高强度、高延伸率及高冲击韧性锚杆与锚索; 高性能、绿色沿空留巷巷旁充填材料, 兼具绿色低碳、环境友好、经济性好等特征。开发高渗透性、高强度、高粘结性的微纳米无机有机复合注浆新材料, 高强度、快速固化喷涂材料, 解决松软破碎围岩加固与巷旁支护密封等难题。

(5)无煤柱开采围岩控制装备

自动化、智能化施工装备是提高无煤柱开采掘巷、留巷速度与效率的重要手段。开发适合沿空掘巷特点的智能快速掘进与支护装备, 显著提高掘进速度与效率, 实现少人化。沿空留巷施工设备包括加强支护支架、挡矸支架、搬运设备, 挂网、立模、泵充、喷浆等诸多设备, 目前仅有少部分实现了自动化, 下一步需要开发系列化的自动化、智能化留巷设备, 包括自主行走加强支护支架、自动化立模设备、自适应泵充设备、自适应搬运设备及自主喷涂机器人等, 实现沿空留巷的自动化、智能化、少人化施工, 大幅提高留巷速度与效率。

(6)无煤柱开采监测与安全保障

无煤柱开采不仅围岩控制难度大, 而且面临与采空区隔离、瓦斯、水、火等一系列安全问题, 实时监测、反馈及灾害预警非常重要。研究解决煤矿多源异构数据融合问题, 开发装备工况实时监测平台、矿压与灾害监测预警平台, 开发无煤柱开采多模态大模型, 确保围岩控制效果与安全。

总之, 无煤柱开采围岩控制应遵循“总体规划、超前布局、支卸组合”的理念, 不断发展新理论、新方法, 研发新工艺、新材料、新装备, 实现数字化、自动化、智能化。不断提高无煤柱开采围岩控制技术与装备的适用性与成套性, 不断拓展应用场景, 不断解决更难、更复杂的问题, 为煤矿安全、高效、高回收率开采提供技术保障。

康红普, 王东攀, 刘跃东. 无煤柱开采围岩控制技术发展方向[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2025, 7(1): 013543. DOI:  10.13532/j.jmsce.cn10-1638/td.2025-1028

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