21世纪无煤柱开采沿空留巷技术新进展(简1).doc

1、西安科技大学惠兴田科研团队4d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 2 页 2019-7-9 12有了多年煤矿生产技术经历，今天才使我对煤炭资源的浪费感悟到内心触动。我倒没有惋惜那些因为设计缺陷导致的煤炭损失，也没有吝啬那些在厚煤层群中开采丢掉的丰富的煤柱资源。我真正痛心的是两个区段间随手丢掉了那么多的煤柱资源。我更痛心的是煤矿主宰者没有认识到专注于煤矿技术的我们现在已经在理论和实践上都已经能够解决大多数复杂情况的无煤柱采煤技术。两个区段之间的煤柱的回收犹如举手之劳。这个举手之劳的丰厚利润我们如果不要的话那就是我们科技工作者的“渎职”。强烈

2、的使命感驱使我这个晚醒的煤矿科技专业工作者将自己的生活随时紧扣无煤柱开采技术。我很想埋怨生活在今天的中国经济飞速发展时期是造成煤矿资源浪费的主要原因。我们更应该呼唤良心：是否我们有必要为追求高产高效而不惜资源？是否因为自己不了解无煤柱发展现状而放弃技术进步。我们更应该清醒，在开发数千万年才形成的宝贵煤炭资源时候衡量一个领导者的政绩是否应该将高产作为唯一标准？实际上我最痛心的还是那些为追求高产高效努力工作去适应这个经济潮流而不惜以煤柱损失作为代价。我们是否能够以人类在地球的可持续生存作为最高境界。最好不要在今天主宰者身后的近几代人就开始指责我们。为什么要不顾一切追求高产而不能够科学开采实现高产高

3、效呢？实际上，在煤炭生产中敢“闯红灯”而发明煤与瓦斯共采的袁亮院士在他的题目提出之初就得到 99%的专家们的强烈反对。他成功了。袁亮说这个成功是他坚持科学开采的结果。无煤柱开采需要解决的科学技术问题是： 是不是非要保留煤柱才能够实现安全开采？有时候无煤柱更安全 高瓦斯突出煤层能否实施无煤柱开采？可以煤与瓦斯共采 放顶煤能不能实施无煤柱开采？能！ 沿空留巷和沿空掘巷那个方案更合适？留！ 针对不同的采矿条件采用什么方式沿空留巷隔离墙方案更合理？ 沿空巷道怎样维护才能实现安全高效开采？我们在上世纪中期解决了曾经困扰我们数百年的顺槽支护问题，也由于顺槽的支护成功大大提高了采矿效率。如今我们已经冲破了无

4、煤柱开采沿空留巷问题瓶颈。无煤柱开采必将进入一个急速发展的新时代。惠兴田 20114d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 3 页 2019-7-9 134d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 4 页 2019-7-9 144d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 5 页 2019-7-9 15目 录1. 概述 .81.1. 无煤柱开采意义 .81.2. 无煤柱采矿经历 .91.3. 惠兴田教授的支护成果 .102. 无煤柱开采巷道

5、技术方案 .122.1. 沿空留巷方案 .122.2. 沿空掘巷方案 .132.3. 架后沿空隔墙留巷 .132.4. 锚筋夹心混凝土沿空掘巷 .142.5. 隔墙预支撑留巷 .152.6. 架后沿空隔墙扩巷 .152.7. 预支撑沿空隔离墙掘巷 .153. 沿空巷道矿压及支护原理 .173.1. 沿空留巷国内外研究现状 .173.2. 沿空矿压特点 .193.3. 沿空巷道矿压分析 .203.4. 沿空巷道顶部矿压特征 .203.4.1. 采场老空垮落规律 .203.4.2. 顶板宏观表现 .213.4.3. 顶部微观表现 .213.4.4. 顶板力学表现 .223.4.5. 材料力学特征

6、.233.5. 沿空巷道支护原理 .233.6. 沿空侧的相似模拟提示 .243.7. 沿空留巷支护原理 .244d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 6 页 2019-7-9 163.8. 沿空隔离墙掘巷支护原理 .253.9. 沿空留巷支护对策 .253.10. 现有技术分析结果 .264. 无煤柱顺槽巷道隔离技术现状 .274.1. 沿空留巷施工技术分析 .274.1.1. 密集支架形式基本不可取 .274.1.2. 矸石堆垛方式应该淘汰 .284.1.3. 砌体墙法存在缺陷 .284.1.4. 高水高效充填支护法事倍功半 .294

7、.1.5. 现浇混凝土隔墙法性价比好 .294.2. 现浇混凝土隔墙技术评价 .314.3. 封闭注浆砌筑技术刚柔并举 .324.4. 沿空留巷隔离墙复合模板支架 .324.5. 沿空留巷隔离墙方案 .334.5.1. 主要理论依据 .334.5.2. 主要实践依据 .334.6. 沿空掘巷施工技术 .344.6.1. 窄煤柱掘巷处于围岩高应力区 .344.6.2. 架后沿空隔墙扩巷 .344.6.3. 锚筋夹心混凝土沿空掘巷 .345. 封闭模铸砌体隔墙沿空留巷技术简介 .365.1. 混凝土隔墙技术分析 .365.2. 封闭注浆砌筑技术方案 .375.3. 泵注混凝土技术分析 .385.4

8、. 现浇混凝土显著缺点 .385.4.1. 材料制备复杂工艺带来很多麻烦 .385.4.2. 装袋或是专用罐车运输到井下 .385.4.3. 泵送混凝土 施工要求高，不慎容易堵管对工作影响很大 .385.5. 模铸砌体技术介绍 .384d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 7 页 2019-7-9 175.5.1. 封闭模铸砌体技术特点 .395.5.2. 封闭模铸砌体沿空留巷隔墙优点 .405.6. 注浆材料研究 强渗透微膨胀 .415.7. 内胎模试验 .425.8. 注浆过程中浆体膨胀检测 .425.9. 浆液饱满度检测 .435.

9、10. 浆液渗透密闭性检测 .435.11. 墙体密封保障 .435.12. 墙体接缝密闭性 .445.13. 墙体接顶可靠性试验 .445.14. 施工设备 .465.15. 封闭模铸专利特征 .465.16. 注浆砌体经济效果 .475.16.1. 普通混凝土价格预算 .475.16.2. 泵送混凝土成本 .475.16.3. 注浆砌体成本 .474d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 8 页 2019-7-9 181. 概述在过去的几个世纪里，尽管人们也尽力试验无煤柱开采，但还是因为那时候没有掌握足够的无煤柱开采理论和实践技术而无法

10、作为一种有效的采煤手段。到了 21 世纪的今天，我们已经从理论和实践中总结了不断进步的有用的科学技术和理论方法，而且更重要的是从不断失败中汲取了经验教训。这才使得我们找到了针对各种复杂情况下的无煤柱开采的可行性。可以说是先辈们的前赴后继加上我们不懈的追求才真正解开了无煤柱开采的关键症结。如今，世界上已经成功的技术经济可行的无煤柱开采方法已经有了广泛的应用经验。推行无煤柱开采，不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘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条件和技术经济指标，增产、增盈减亏的主要途径之一。1.1. 无煤柱开采 意义减少巷道掘进量缓解接续紧张；节约掘进费用煤炭全部回收

11、延长矿井寿命，提高社会效益上世纪沿空留巷技术方案缺陷阻碍了该项技术实施近十年理论和新技术的成熟为沿空留巷打下良好基础现实意义减少巷道掘进量缓解接续紧张；提高综合效益在这一点上往往没有引起让人们足够重视。生产过程中留巷与生产处于完全平行的作业状态，这可以最大限度发挥生产率。采用沿空留巷技术就可以使一个工作面的回采结束就必然形成一个顺槽。因此，准备一个工作面只需要掘进一条顺槽即可。这里面的矛盾在于沿空留巷是否一定确保成功，是否建设成本太高。一般情况下，采用封闭模铸砌体隔墙技术的建设成本为一个正常掘进巷道的费用。因此，这就很明显的表现出成果为：多回收煤柱+缓解接续= 提高综合经济效益。战略意义开发煤

12、炭资源；提高煤炭回收率；为后代负责。推行无煤柱开采，不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘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条件和技术经济指标，增产、增盈减亏的主要途径之一。也能够落实国家有关煤炭开采法规相关规定，保证回采率。4d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 9 页 2019-7-9 19根据我国的实践经验和当前的技术水平，目前推行的无煤柱开采护巷分为沿空留巷、沿空掘巷。其他形式都是这两种形式的完善扩展。其中沿空留巷这种无煤柱护巷方式如果实施技术方案合理的话在技术和经济上有更多优越性，具有广泛意义，因而对于具有

13、适合条件的矿井都应当优先采用。1.2. 无煤柱采矿经历上世纪 60 年代世界一些主要产煤国家为了达到少掘巷道、增加煤炭资源回收率、增加生产的连续性和提高矿井的经济效益目的，先后采用往复式“Z”形开采，前进式和后退式的工作面沿空留巷方法以实现无煤柱开采。对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合理支护形式及新型支护材料等都进行了大量研究。在这方面做得较多的是前苏联、德国、英国、波兰等国家。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。现在基本普及无煤柱开采。国外目前主要以无机有机混合结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。我国上世纪 70 年代引进使用，那时候因为经济基础等因素影响，特别是没有掌握矿山压力规

14、律，所采用的方法都没有广泛适应性。后期出现的“高水材料” 成本过高、强度和耐久性不足、因而没有广泛的市场。巷道维护困难的局面仍然没有彻底扭转。沿空留巷由于具有良好的社会和经济效益，我国在上世纪就不断有研究成果。那时候的研究主要是基于煤炭的国家计划性和后期煤炭经济的不景气。使得该项技术的研究始终处于一个怪圈。我们总是不想花费就想得到汇报。尤其是采用那些煤矸石或是木材支柱作为沿空侧支护没有足够的强度和密封性而使得沿空留巷技术背上劣名。实际上，近几年人们才开始逐渐认识煤体资源的重要性。对于这种数千万年形成的宝贝我们今天才开始提出“资源费，回采率”等概念。虽然我国现在还没有上升到一个高度。还没有强制的

15、手段。但在国外，以欧洲为代表，基于资源的贫瘠，他们可以用比较高的代价研究实施无煤柱开采。主要的形式是以有机和无机材料混合的充填密封留巷。代价较大，但施工方便快捷。日本人为了节省资源，在自己国家实施无煤柱开采，不足部分靠大量进口煤炭。今天，为了挽救人类的荒谬。世界各国都在积极研究推行无煤柱开采技术。当前存在的主要问题是没有完全掌握采场推进过程中上覆岩层运动和支承压力发展变化的规律，特别是没有认识到充填体不可能完全承担支承压力高峰实施转移过程和采场上覆岩层（裂断拱内岩层）沉降过程中的强大压力。其结果往往是在充填宽度很大（3-5m），充填成本很高的情况下，出现严重的巷道底鼓（这是巷道底板岩层在两帮强

16、大的支承压力作用下屈曲破坏的结果）；而当充填材料宽度小、强度不足时，巷旁充填体将在上覆岩层沉降压力作用下迅速破坏，失去支承能力，出现老塘透风，引发老塘火灾和瓦斯爆炸事故。我国从薄煤层到厚煤层，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，都已有沿空留巷的成功经验。但是，在沿空留巷研究与应用中仍存在着不足之处，使得一些矿井在应用沿空留巷技术中没有取得预期的效果，并限制了沿空留巷技术在我国更广泛的推广。4d276d8ac71d2eb8729037478228b970.pdf西安科技大学惠兴田 第 10 页 2019-7-9 110我国无煤柱开采历史悠久，积累了一些经验。过去都是在条件比较好的个别煤层实施。大多数是以密

17、集棚和混凝土砌块以及矸石带等廉价方式进行，虽然取得了一些成果，实际上都是个例成果，不足以能够推广。在近 5 年代研究中我们发现了沿空留巷的关键理论是围岩控制的“及时高强”。及时性是反应在控制顶板的时间效应上，不能让顶板有过量下沉。最大限度的控制顶板不使其产生离层性位移更好。这和以往的让压有着本质的差别。高强度是以往任何棚式支护根本无法达到的。要高强就意味着高成本。在过去的计划经济和煤炭不景气的年代是不可能投入资金去实现无煤柱开采的。也就是随着资源的紧缺和国家能源政策的深化，才有了钢筋混凝土隔墙在近 5 年的出现。这种以钢筋混凝土换煤炭的无煤柱开采方式当今才得到了一部分煤炭管理者的认可。从 20

18、 世纪 90 年代淮南矿业集团为了治理瓦斯，坚持实施科学创新开采。在实现充填材料更新、充填工艺及装备机械化的基础上，成功的采用沿空留巷，实现了煤与瓦斯同采。在较好的解决了回采工作面推进上隅角瓦斯积聚以及在高应力区掘巷引发的瓦斯突出和瓦斯爆炸事故的同时，把沿空留巷无煤柱开采推进到了一个新的发展阶段。以中国矿业大学冯光明教授为代表的采用高水充填技术实施无煤柱开采技术在过去的是今年内为如今其他技术的诞生打下坚实基础。后起的自密实混凝土技术具有廉价方便的优越性逐渐在沿空留巷隔离墙施工中占了上风。直到 2010 年由西安科技大学惠兴田教授发明了封闭模铸砌体混凝土技术隔离墙技术以后，使得沿空留巷隔离墙技术

19、发展到了一个阶段高峰。由于这种封闭模铸砌体混凝土结构具有及时高强和密封特性就能够很好的适合采煤工作面高效回采和快速留巷。实践证明，无煤柱开采方案实践可有效地控制瓦斯爆炸、冲击地压等相关事故的发生。通过对岩层运动和矿山压力发展变化规律的研究，正确的进行巷道矿压控制设计以及解决好巷道掘进和维护期间老塘透风问题，完全能够控制原煤柱护巷方案产生的重大事故。1.3. 惠兴田教授的支护成果表面看来锚网支护乃至沿空巷道支护技术已经成熟。但在这种成熟的背面能看到非同一般的问题就有了一定的局限。 我们要求不但要看到成熟背后的问题； 还要有对问题认识的深度； 重要是要有恰当解决问题的方法； 最为主要的是优化方案内含有先进性。西安科技大学惠兴田课题组从 1989 年以来一直专注于矿井掘进支护技术研究，先后解决了平顶山矿务局十矿、攀枝花矿务局太平矿，大宝鼎矿和花山矿、甘肃靖远矿务局大水头矿，魏家地矿，红会一矿和四矿、华亭煤业集团马蹄沟，新窑矿，新柏矿，净石沟矿、国投昔阳黄岩汇矿，白羊岭矿、阳泉煤业集团二矿，新景矿以及陕西省境内的 5 个相关煤业公司中多数煤矿进行了共 60 余例煤矿顺槽支护和掘进技术的研究。在几十年的专项研究中，课题组积累了比较丰富的现场经验并总结了一些核心理论。