膏体充填开采沿空留巷技术国内外研究现状

膏体充填开采沿空留巷技术国内外研究现状摘要：通过研究膏体充填综采沿空留巷围岩活动特征、充填体滞后阻力，围岩应力场演化规律，揭示中厚煤层膏体充填综采沿空留巷围岩结构运动特征，据此形成针对性的沿空留巷围岩控制技术，指导沿空留巷工程实践的开展，对提供煤炭资源采出率、减少巷道掘进量，以及实现Y型通风、治理瓦斯超限等难题、推动我国无煤柱护巷技术的进步，具有极为重要的理论意义和实践价值。

推行沿空留巷，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，文章分析了膏体充填开采沿空留巷技术的国内外研究现状。

关键词：煤层开采；膏体充填；沿空留巷0引言我国是煤炭生产和消费大国，长期以来煤炭在我国的能源结构中一直占主导地位，从1998～2008年煤炭在我国一次能源消费中所占比例始终在70%以上，2012年我国的煤炭消费量达到24.27亿t，占我国能源消费总量的67.1%，预计在今后20年内煤炭依然是我国的主要能源，且在能源消费结构中所占比例达65%左右。

我国煤炭储量虽然很多，然而人均占有量很少。

我国95%以上的煤炭资源靠井工开采，在煤炭开采中每年新掘巷道约2万km，其中采区顺槽进尺约占2/3以上，绝大部分采区顺槽长期以来一直沿用留煤柱护巷。

留煤柱护巷虽然短期内对防治窜风、自然发火起到一定作用，但造成煤炭资源的浪费。

因此，研究区段不留煤柱，实现无煤柱护巷、提高煤炭回收率和降低巷道掘进率，对矿井安全生产、增加经济效益和社会效益都具有十分重要的意义。

工作面采用膏体充填处理采空区使得基本顶运动特征、覆岩变形演化规律及其力学机制与垮落法处理采空区有显著不同，同时也区别于部分充填沿空留巷基本顶三角块的回转运动形式。

其特殊的上覆岩层活动规律也给巷道支护带来新的问题，开采引起的支承压力也区别于垮落法开采，沿空巷道的受力环境和围岩控制要区别与常规的沿空巷道，且沿空留巷一侧为煤帮，另一侧为充填体，属于大变形围岩，同时还要承受掘进和采动的采场应力的影响。

然而目前，国内外关于膏体充填综采沿空留巷上覆岩层运动规律及围岩控制技术的研究较少，有待进一步研究。

1沿空留巷技术研究现状国外沿空留巷研究的历史较长，比国内该技术的研究早得多。

国内很多专家学者也对沿空留巷技术做了深入研究，使得沿空留巷技术日趋完善。

孙恒虎教授等从三维空间和动态上深入研究了沿空留巷的机理，采用现场研究、模型研究和数学力学解析相结合的综合研究方法，对煤矿生产具有指导意义。

李化敏教授分析了沿空留巷顶板岩层运动的过程及其变形特征，明确了顶板岩层运动各阶段巷旁充填体的作用。

谢文兵等在工程实践基础上，采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC建立相应的数值分析模型，分析了留巷前巷道支护形式、充填体宽度、充填方式、充填体强度和端头不放顶煤长度等对综放沿空留巷的作用和效果。

漆泰岳教授等通过现场实测和理论分析，对不同围岩条件下老顶断裂引起的整体浇注护巷带的支护强度和变形能力进行了深入研究，提出了使沿空留巷巷道保持稳定的整体浇注护巷带支护强度与变形的理论计算方法，进而对沿空留巷整体浇注护巷带的适应性进行了研究。

华心祝教授等从如何提高顶板岩层的自我承载能力入手，提出了一种主动的巷旁加强支护方式，即巷旁锚索加强支护，建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型，并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理。

郭育光教授等研究认为巷旁支护体应具有早期强度高、增阻速度快的特点，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，避免直接顶与上部基本顶离层，并切断采空区侧一定厚度的顶板，减小巷旁支护载荷，控制巷道变形。

我国在1991年从国外引进了高水材料巷旁充填技术，并在不同矿井进行了试验、研究和改进。

应用该项技术能够达到巷道二次利用的目标，但高水材料开发较困难，料浆泌水率较大，凝结强度往往因为施工和管理的问题达不到理论结果，且成本较高，因此推广应用有困难。

我国工作人员，在巷旁充填支护的思路上，发展了膏体胶结料充填、似膏体胶结料充填等技术，这些充填技术在沿空留巷中的应用效果良好。

2 巷旁充填技术研究现状巷旁支护技术是伴随着沿空留巷技术而产生的，决定着沿空留巷的成败，是沿空留巷的关键和难点，但目前在我国并没有得到很好的解决。

沿空留巷围岩稳定性的控制应该是两方面的既包括巷内围岩的控制，也包括巷旁控制技术，而后者对沿空留巷的影响要大于前者。

覆岩运动规律与巷旁支护相适应，通过巷旁支护技术控制顶板的运动，可以卓有成效的保持沿空留巷围岩的稳定性。

木垛、矸石带、密集支柱以及人造砌块是目前国内较为成熟和广泛应用的巷旁支护技术，但随着科技的发展，巷旁充填技术也在不断的推广。

（1）木垛巷旁支护过去巷旁支护应用较广，其形式一般是单排木垛。

木垛作为巷旁支护的优点是：支撑面积大，稳定性好，用以挡研效；架设比较灵活、方便，劳动量少；后期支撑能力大。

其缺点是：木材大，随煤层厚度加大此缺点更为突出;从力学性质来看，木垛属于晚支撑承载过程中载荷增长速度很慢，且早期支撑能力太低，因而不能起到早期板下沉的作用；木垛的可缩量大，通常可以压缩到只有原始高度的40%~50%，而不能起到切断采空区顶板的作用，相反，常使脆性顶板沿巷道煤壁产生象，从而加大了巷道支架所受载荷；木垛属于宽幅巷旁支护类型，它使巷宽度加大，从而增加了巷内支架上的载荷，国外在应用沿空留巷时曾采用垛作为巷旁支护，但效果并不理想。

（2）密集支柱巷旁支护由于应用木垛护巷存在一系列缺点，故在许多情况下，采用了密集支护作为巷旁支护。

所谓密集支护作为巷旁支护是指随工作面推过之后，在采空区边缘新架设的密集支柱。

密集支柱属于刚性支护类型。

与木垛相比，其优点是可缩量小，早支撑性能好，可进行切顶，架设工作量小等。

木材密集支柱的缺点是木材消耗量大，并且一般不能回收复用；当顶板或地板较软时，密集支柱易于顶地板造成卸载，因而失去支撑和切顶作用；密集支柱的稳定性较差，在受到采空区冒落矸石的冲击时容易倾倒，同时，由于沿空巷道两帮下沉不均，通常靠采空区一侧顶板的下沉量大于煤体一侧，巷道顶板产生倾斜，故也会使密集支柱倾倒而失去支撑作用；密集支柱的工作性能常受到架设质量的影响，尤其当采高较大时，密集支柱不仅不易架设，而且也不稳定。

可见，用木材密集支柱作为巷旁支护可以起到承载、切顶和隔离采空区碎矸石的作用。

它适宜在顶板岩石为中等稳定以上，顶板属于脆性，采高在2~2.2m以下的薄及中厚煤层中使用。

（3）矸石带、料石垛巷旁支护矸石带巷旁支护是国内外普遍采用的方式，我国在开采厚度为1.5m以下的煤层时大量应用。

矸石带作为沿空留巷的巷旁支护，具有节省支护材料，隔离采空区，承载面积大、稳定性较好等优点。

其缺点是砌矸石带的工作量大，工人体力劳动繁重。

从力学特性来看，矸石带属于宽幅、大可缩量和晚支撑的支撑物。

由于空隙大，压缩量达40%-50%，虽然压实后支撑能力可以提高，但这时顶板己大量下沉并失去稳定性，而且矸石带较宽，又增加了顶板的悬伸宽度。

因此，除了韧性大的缓慢下沉顶板之外，对于脆性顶板，这种顶板悬伸可能造成顶板沿煤壁断裂，并造成巷内支架上载荷增加。

料石垛巷旁支护高强度有限可缩量特性，属于早支撑类型，实现了切顶卸载，巷道变形量小，支架完整。

但由于料石垛内外两侧受力不均，故可能使石垛在承载过程中出现各种形式的变形和破坏。

（4）人造砌块巷旁支护人造砌块作为巷旁支护，是为了节约木材、克服木垛可缩量和承载晚等缺点而发展起来的。

近二十年来，这种巷旁支护形式在国外有相当的发展，国内也有一定应用。

这种支护形式的优点是材料来源广，价格低廉；构件的刚性大，承载快，压缩20%就达到最大载荷。

混凝土砌块巷旁支护的优点是前期支护阻力大、增阻速度快、切顶效果好。

缺点是可缩量较小、成本较高、构筑巷旁支护的劳动强度大，密闭采空区效果较差，一旦砌块破坏后，它的承载能力将急速降低。

适用于顶板中等稳定的薄及中厚、中硬以上的煤层，由中国矿业大学研制的水泥、炉渣、锯末“三合一”砌块在现场试验中取得了较好的效果。

（5）巷旁充填支护技术随着煤炭开采技术的发展，巷旁支护的技术也得到了发展，巷旁充填技术就是近几年来新兴的巷旁支护措施，根据输送动力源不同分为硬石膏风力输送和膏体材料泵充填两种。

硬石膏与普通水泥时硬石膏风力输送的主要组成材料，该种方式技术上可行，但现场工程实践表明，输送过程中粉尘大，管道磨损严重、且充填料的量又比较大，所以，该种充填方式在我国并没有得到广泛的应用。

膏体材料的研制是膏体材料泵充填研究的重点，膏体材料是一种特种水泥混合材料，具有如用水量大、固体料用量少以及凝固体韧性好等优点。

膏体材料泵充填技术实现了机械化作业的方式，护巷性能好，提高了安全性，减少了人员的使用和材料的浪费。

两侧的支架和支柱保护着充填带与煤层顶底板形成的整体，使得该种巷旁支护方式可应用在工作面开采要求，推广了沿空留巷的应用范围。

3 膏体充填技术研究现状膏体充填也叫高浓度胶结充填，是为了克服低浓度胶结充填泌水量大的问题而提出的，历史上有记录的最早的膏体充填成功案例是1979年德国的格伦德铅锌矿。

经过国内外工程技术人员和科研工作者的努力，以浓度高、泌水低为代表的膏体充填形成并在国内外快速发展。

膏体充填技术主要由充填材料、充填系统、采动覆岩控制理论三部分组成，其中充填材料是膏体充填技术的核心，膏体充填材料的性能决定着充填效果，若膏体材料性能优良且配比恰当，则充填体的工作性能、力学性能和变形性能良好，反之，则充填体的各项性能不合格，无论是在膏体的输送还是对上覆岩层的支撑方面都受很大影响，造成充填效果不佳，最终导致充填开采的失败。

因此，充填材料的选择和合理配比是充填开采成功与否的关键所在。

膏体充填技术在国外金属矿山己经有20多年的发展历史，国内很多专家学者和工程技术人员也对该技术进行了大量的研究与实践，并取得大量的成果。

制得的煤矸石似膏体充填材料的物理性能、力学性能等均能满足国家水泥标准要求，可以用于矿区似膏体充填。

因此，工程技术人员和科研工作者的研究和矿井膏体充填开采试验的成功实例充分证实了膏体充填开采是切实可行的开采方法，是资源合理回收与环境保护协调发展的开采方法，是利国利民、造福人类的开采方法。

参考文献：[1]尚海涛.煤炭作为我国基础能源的重要地位不可动摇[J].中国煤炭，2001（4）：78-81.[2] 罗斐.基于协同论的中国能源消费结构优化研究[D].中国矿业大学(北京)，2009.[3] 马金龙.沿空留巷围岩变形特征与巷旁支护研究[M].西安科技大学，2009.六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目(项目编号：2021cxcy51)作者简介：罗杰元（1999.08-）男，布依族族，贵州省长顺县人，在读本科，主要从事采矿工程方面学习研究。