常文超,王宇涵,李康文

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概述

煤炭是我国主要的能源和重要的工业原料。长期以来，煤炭作为我国的主要能源，有力的支撑了国民经济和社会的平稳较快发展。近年来，虽然煤炭在一次能源结构中比重会有所下降，但煤炭的消费总量仍将保持适度增加[1-2]。但是，我国现在正面临着绿色煤炭资源量少，煤炭资源回收率低等问题，若不提高回收率，我国将不得不大面积开采非绿色煤炭资源，势必带来安全、技术、经济和环境等方面的问题[3-4]。

沿空留巷(如图1所示)是在工作面回采后，在采空区侧保留原有的回采巷道，这样不仅可以明显减少巷道掘进量，减轻施工负担，还能提高煤炭回采率，大量节约煤炭资源，带来可观的经济效益。因此，以沿空留巷为代表的无煤柱开采方式解决了煤炭开采回收率低的问题，是煤炭开采的重要发展方向。

2 沿空留巷技术关键问题分析

沿空留巷技术虽然具有提高煤炭回采率、减少巷道掘进量等优点，但是沿空留巷技术会导致留巷围岩的应力增加，使巷道变形增加。因此，如何减少巷道变形量及维持巷道的长期稳定是能否成功应用沿空留巷技术最为关键的问题。

3 传统沿空留巷技术

3.1 被动支护沿空留巷技术

被动支护沿空留巷技术主要是指棚式支护沿空留巷技术，其可谓是最为传统的沿空留巷支护技术。棚式支护的优点在于能及时达到支护强度，较少影响采煤效率。但它也存在很多的缺点，即对动压荷载的承受能力弱，难以适用地质构造复杂的岩层，在深部岩层中的应用较为困难，使用时需要耗费大量的支护材料导致成本增加。

3.2 主动支护沿空留巷技术

锚杆支护及锚杆、锚网、锚索联合支护沿空留巷技术即为主动支护沿空留巷技术。与棚式支护沿空留巷技术相比，其具有更高的支护强度，能改变巷道围岩应力分布状态，从而能提升巷道稳定性，起到良好的加固作用。但在实际应用时却有施工较为困难的局限性，特别是采用密集间排距布置锚杆、锚索时，施工更为困难，进而导致效率降低，影响经济效益。

3.3 巷旁充填体沿空留巷技术

巷旁充填体沿空留巷(如图2所示)就是指在煤矿开采后，利用胶结材料充填采空区，待胶结材料固化形成充填体而具有一定的强度后，通过充填体来支撑巷道顶板，从而达到控制巷道变形的目的。胶结材料有很多种，其中应用最为广泛的是膏体充填材料，其由矿渣、粉煤灰等材料制成。

虽然该技术具有能进行机械化作业的优点，但是由于充填材料在井下恶劣的工作环境中往往难以长期保证具有足够的强度，而且在充填采空区时，需要使用大量的充填材料，这无疑增加了巨大的成本，因此巷旁充填沿空留巷技术的应用也具有一定的局限性。

4 二次沿空留巷技术

4.1 二次沿空留巷概述

传统的沿空留巷就是在上工作面回采后，通过一定的方法沿采空区侧保留一条巷道，作为下工作面的回风巷，实现一条巷道，两次利用，这样就可以少掘一条巷道，达到减少掘进量和提高煤炭回采率的目的。二次沿空留巷(如图3所示)就是在传统的沿空留巷基础上，再次利用该条巷道，使巷道两侧均为采空区，这对于减少区段煤柱损失而提高煤炭回采率、减少巷道掘进量等都具有十分重要的意义。

4.2 二次沿空留巷关键问题分析

二次沿空留巷时，由于采空区上覆岩层的活动更加激烈，对巷道的影响也最大。因此，如何维持二次留巷期间沿空留巷的稳定性并使其能满足长期使用的要求是最为重要的。基于对二次沿空留巷的全过程分析，根据二次沿空留巷围岩结构特点，阚甲广等提出了“多分区耦合支护”围岩控制方法，为达到长期使用的目的，应在留巷初期即二次留巷初期对巷道进行加强支护，并在留巷围岩稳定后进行注浆加固。

5 切顶卸压沿空留巷技术

随着我国煤炭开采量和需求量的不断增加，我国部分地区浅部煤炭资源已近枯竭，许多煤矿已经进入深部开采阶段。但是，由于深部岩石的力学特性发生了重大变化，使得深部开采与浅部开采具有非常明显的区别，即深部开采处于“三高一扰动”的复杂力学环境中。其中，“三高”即高地应力、高低温、高岩溶水压，“一扰动”是指采矿扰动[5]。

在深部岩层进行开采时，由于围岩本身就处于高地应力状态，再加上煤炭回采时带来的强烈支承压力作用，使得巷道围岩应力比原岩应力大得多，进而导致岩爆、矿压显现剧烈、围岩变形等灾害，在强度、频率和规模上比浅部开采大的多。因此，深部采煤时，如何保持巷道围岩的长期稳定，减少甚至避免发生安全事故，成为一个亟待解决的问题。

5.1 切顶卸压沿空留巷技术概述

为解决深部采煤围岩应力高、矿压显现剧烈这一重要问题，中国矿业大学(北京)何满朝院士以“切顶短臂梁”为理论基础，提出了切顶卸压沿空留巷技术(如图4所示)。

切顶卸压沿空留巷技术就是首先使用恒阻大变形锚杆将留巷顶板加固，然后采用定向预裂爆破技术，切断采空区顶板和留巷顶板之间的联系，从而切断顶板间的应力传递路径，使所留巷道处于卸压区，并利用岩石的碎胀性，在工作面回采后使顶板垮落矸石自动填满采空区，进而减弱或消除老顶周期来压对巷道围岩稳定性的影响。

5.2 切顶卸压沿空留巷技术关键技术

5.2.1 恒阻大变形锚杆

采用切顶卸压自动成巷技术时，要求留巷顶板具有足够的强度及一定的许可变形量，才能保证在采空区顶板垮落时沿空留巷的安全和稳定。由于普通锚杆满足不了这种要求，为此，中国矿业大学(北京)何满朝院士经过多年的刻苦研究，研发出了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚索。这种锚索可以实现在恒定支护阻力条件下的拉伸大变形，从而能有效降低巷道顶板下沉量，满足了切顶卸压沿空留巷顶板的特殊要求[6]。恒阻大变形锚索如图5所示。

5.2.2 定向预裂爆破技术

定向预裂爆破技术就是通过一些方法使炸药爆炸产生的爆轰气体和爆炸应力波沿径向冲击产生裂纹，并使裂纹持续发展，最终形成预期的断裂面。常见的定向预裂爆破技术主要有切槽孔爆破技术、聚能药卷爆破技术和切缝管爆破技术。通过定向预裂爆破技术，可以按照设计位置进行顶板预裂切缝，使顶板能按设计高度垮落，不仅切断了顶板间的应力传递，还能使垮落的矸石充满采空区，对老顶起到支撑作用。

5.2.3 切顶高度

岩石在破碎后，其体积会比破碎前增大的性质称为岩石的碎胀性。切顶卸压正是利用岩石的这种性质，当切顶高度足够时，顶板岩石破碎垮落后能完全充满采空区，对老顶起到支撑作用，使老顶不产生“O—X”型破断，进而优化沿空留巷顶板结构，降低回采时老顶周期来压对留巷围岩的扰动作用，使沿空留巷的稳定性得到显著提高。因此，切顶高度(如图6所示)是决定切顶卸压沿空留巷技术能否成功应用的关键因素之一。切顶高度计算方法如下：

设煤层厚度为M，岩石碎胀系数为K，切顶高度为H时，顶板垮落矸石能完全充满采空区，则采煤前切顶高度加煤层厚度与采煤切顶后，顶板垮落矸石高度应相等，即：

H+M=KH

(1)

化简可得:

M=H(K-1)

(2)

即可达到切顶高度计算公式：

H=M/(K-1)

(3)

其中，M为煤层厚度，m；K为岩石碎胀系数，一般取1.3～1.5。

5.2.4 切顶角度

一般情况下，由于直接顶的强度较低，切顶角度对直接顶能否成功垮落的影响较小。但是当切顶高度包含基本顶时，如果切顶角度(如图6所示)太小，采空区顶板将不能顺利垮落，采空区顶板仍会对留巷顶板产生联系，这会导致卸压不充分，严重影响留巷围岩的稳定性。然而，当切顶角度太大时，顶板悬臂长度也会增加，不利于沿空留巷的维护，所以在满足采空区基本顶能顺利垮落的前提下，应尽量减小切顶角度。

6 结语

1)沿空留巷技术不仅可以提高煤炭回采率、减少掘进量，还能有效缓解煤矿开采中采掘接替紧张的问题，大大提高了生产效率，目前已经在我国很多煤矿中得到应用。

2)随着我国浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采逐渐向深部扩展，如何在深部岩层使用沿空留巷技术进行煤炭开采已经成为一个亟待解决的重要问题。切顶卸压沿空留巷技术不仅从理论上证明了在深部煤炭开采应用沿空留巷技术的可行性，而且已经在我国多个矿井成功应用并取得了良好的应用效果，具有非常广阔的应用前景。