无煤柱开采(采矿新技术之二)

是保证在全国范围内推广沿空留巷成功的必要
途径。
沿空留巷稳定性分类
沿空留巷围岩结构的主要特点是： （1）巷道顶板、底板和一侧煤体经历了本工作面采动形 成的动态支承压力影响，整体强度降低； （2）沿本工作面侧的巷帮为人工充填体。 因此，应在研究不同地应力场和采动支承压力场动态耦
合规律的基础上，分别对巷道顶板、底板、煤体和巷旁充填
mz
Δh K mz C L
如果K=KA（KA为岩石碎胀系数），则上式为岩梁弯曲下沉和显著运动过程中的
巷道变形量u2，即：
h
C u2 h mz ( K A 1) L
C:充填带中线与岩梁端部裂断线间的水平距离，m
围岩变形量预计
L:岩梁悬跨度（端部裂断线到触矸点间的水平距离），m mz:直接顶厚度，m KA:岩石碎胀系数，1.30～1.35 Kc :矸石压实后的残余碎胀系数，1.00～1.05
mm
下区段工作面
5.2 巷旁充填体变形量预计
围岩变形量预计
mz
Δh K mz C L
沿空留巷的围岩变形主要是由岩梁弯曲沉降和显著运动引起的，正确预计 这部分变形量即可对留巷的全部变形量作出大概预计。
h
围岩变形量预计
mz
Δh K mz C L
由于沿空留巷巷道要经历覆岩运动发展到稳定的全过程，巷旁充填体不可能 对基本顶岩梁的运动加以限制，只能限制直接顶运动，因而巷道顶板下沉量由 基本顶运动的位态决定 。
(2)围岩结构
(3)巷道支护体
三者组成的一个力学系统的平衡状态决定的。
其中，
1.地应力是由煤层埋藏深度和构造运动决定的；
2.采动支承压力是由覆岩结构及工作面采动参数
决定的；
3.围岩结构是由煤层所处的层位及其沉积环境决
定的； 4.而巷道支护体的形式和强度是由目前的技术水 平决定的
深部矿井开采过程中，很多矿区进行了沿
节 理 层 理 不 发 育 不 太 发 育 中 等 发 育 发 育
顶 底 板 直接顶初 次垮落平 均步距(m) 移近 率 (%) 移近 量 (mm)
Ⅰ
非常 稳定
68～120 平均96.5
20～90
25
<3
<40
Ⅱ
稳定
砂页岩 砂质泥 岩
22.4～78 平均49.7
砂页岩 砂质泥 岩泥岩
15～55
15
5～ 10
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅳ.在工作面后方岩梁断裂前弯曲下沉及岩梁断裂后显著运动 过程中，基本顶岩梁运动迫使巷道顶板快速下沉，将造成很
大的下沉量。
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳபைடு நூலகம்
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
h
围岩变形量预计
mz
Δh K mz C L
通过实测确定基本顶岩梁运动特征参数，特别是端部裂断位置和采空区触 矸位置，即可对留巷的主要变形量作出预计。
h
围岩变形量预计
mz
Δh K mz C L
h h m z Km z C L
h
C h h mz K 1 L
围岩变形量预计
该技术的核心思想是： ② 采用柔性恒阻让压风囊安装在充填体上部，阻断采空区 的瓦斯。风囊的高度等于充填体预留的高度。在老顶岩梁回 转下沉过程中，风囊在保持一定阻力的情况下可以随着老顶 岩梁一起压缩变形，以此保证巷旁充填体不被压坏。
hr
hc h
h:巷道高度；hr:风囊高度；hc: 充填高度
该技术的核心思想是： ③ 当柔性风囊压缩到接近不可压缩的程度时，及时回撤出 来；
发 育
10
>35
预留变形巷旁充填技术
巷旁充填
5.预留变形巷旁充填技术
预留变形量
风囊阻风（瓦斯）
单体液压支柱切顶
后方卧底扩巷
在深部矿井，由于地应力高，围岩强度呈现“高应力软 岩”特征，区段平巷在第一个工作面超前支承压力的作用下 往往会产生很大的变形甚至破坏。 在第一个工作面后方侧向老顶岩梁回转下沉过程中，在 老顶岩梁及直接顶岩层的共同作用下，沿空留巷承受的压力 急剧增大，留巷变形剧烈，表现为底板鼓起和充填体被压坏
wz
——充填条带总宽度，m ——上覆岩石平均容重，t/m3 ——充填条带材料的抗压强度，MPa

t
7. 实 例
山东新汶孙村矿
• 煤层倾角：16° • 埋深：390m • 高档普采
• 目的：开采工广煤柱，控 制地表下沉 • 效果：地表无下沉
似膏体采空区充填
• 材料配比: 水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15
区段平巷无煤柱
瓦斯与煤突出
煤柱发火
采掘关系
地表环境
资源回收率
承压开采
“充填开采”无煤柱
水资源
水体下开采
3.沿空掘巷的位置与时间
沿空掘巷 大煤柱护巷
沿空留巷
巷旁充填
采空区矸石
外应力场掘巷
s0
原始应力场掘巷
小煤柱护巷 沿空掘巷
(a )
相对稳定阶段
老顶(基本顶)岩梁触矸是在内应 力场中送巷受力和维护状况比 沿空留巷优越的先决条件。 若掘巷时基本顶岩梁尚未触矸， 即掘巷滞后回采工作面的距离过 短，则在内应力场中送巷的受力 和变形就与留巷差别不大了。可 见，送巷的位置由内应力场的范 围决定，送巷的时间由基本顶运 动的发展过程决定。
mz
Δh K mz C L
同理，压实矸石过程中的巷道变形u3为：
h
C u3 mz (K A K c ) L
围岩变形量预计
mz
Δh K mz C L
受顶板活动影响造成的总变形量u23：
C Ch u2 u3 h mz ( K c 1) L L
h
U23≤h
5.3 巷旁充填材料
体的结构稳定性进行分析，以围岩变形量为控制指标，对沿 空留巷的整体稳定性进行评价和分类。
类 别
稳定 性 程 度
顶 岩石类 型 砂 岩 石灰岩 泥页岩
板 (MPa)
底 板 岩石类 型 砂 岩 粉砂岩 砂质泥 岩 (MPa) 煤层坚 固系数f 中硬以 上 1.5～4.0 2.58 中硬 1.25～ 2.7 平均 1.88 中硬 0.7～2.5 平均 1.38 中硬 0.7-3.0 平均 1.88 软弱 0.8～ 1.25 平均 1.0
轨道顺槽 回风大巷
采空区
区段小煤柱
沿空掘巷
轨道顺槽 回风大巷
采空区
巷旁充填体
沿空掘巷
轨道顺槽 回风大巷
工作面
采 空 区
巷旁充填
沿空留巷
水平大巷
采空区完全充填
矸石充填
似膏体充填
高水材料充填
建筑垃圾充填
采空区局部充填
采空区局部充填
2.无煤柱开采的意义
冲击地压
资源回收率 采空区瓦斯抽放
无 煤 柱 开 采 技 术
侧巷旁充填体）基本保持稳定，总体变形量有限且
在允许的范围内，巷道形状和断面积满足工作面通
风、运输和行人的基本要求。
沿空留巷围岩稳定是在地应力和采动支承压力 的共同作用下，巷道围岩结构（强度）与巷道支护
体互相作用，最终达到力学平衡的结果。因此，沿
空留巷围岩稳定性是由：
(1)应力环境（地应力和采动支承压力）
•高水材料
泵 送
•石膏
•采空区矸石
早 强 高 强
廉 价
•高性能混凝土
•高压砖
•预制砼块
6.充填开采无煤柱
条带充填的优点
1. 解决充填材料不足的问题；
2. 提高充填速度，解决目前很多工作面“以充定产” 的问题；
条带充填的技术要求
1. 充填条带的间距必须小于直接顶初次垮落步距 2. 充填体的支撑强度大于裂断拱内岩石的重量。
等现象，不能满足下一个工作面回采时的通风、设备运输及
行人的要求。因此，提出了“预留变形巷旁充填沿空留巷技 术”。
该技术的核心思想是： ① 根据沿空留巷变形量预计结果，设计巷旁充填体的高度 为巷道原始高度与预计的巷旁充填体的最大变形量之差；
hr h hc
h:巷道高度；hr:风囊高度；hc: 充填高度
(b )
相对显著运动阶段
覆岩稳定阶段
(c )
(d )
轨道顺槽 回风大巷
采空区
滞后距离L0 区段煤柱
沿空送巷
轨道顺槽 回风大巷
采空区
相向推进
轨道顺槽 回风大巷
采空区
`
提前掘进
4.沿空留巷适应性分析
沿空留巷成功的关键技术之一是留巷的稳定性， 即在地应力和采动引起的动态支承压力的作用下，
所留巷道的围岩（包括顶板、底板、一侧煤体和一
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅱ.掘巷引起的应力重新分布趋向稳定后，由于煤层
一般具有流变性质，巷道围岩仍保持一定变形速度。
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅲ.在上区段工作面超前支承压力作用下，围岩塑性 区进一步扩大，围岩变形增长较快。
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅶ.受下区段工作面回采影响时，由于支承压力叠 加使煤柱塑性区显著增大，引起巷道围岩变形。
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
留巷在整个服务期间的围岩变形量为：
u u 0 u1 u 2 u 3 u 4 u 5，
3. 充填体材料强度高
4. 充填体材料早强 5. 充填体材料长期强度稳定 6. 充填体充填率接近100%，体积缩小有限。 7. 充填材料廉价，量足。
L
直接顶初次裂断步距： l z

2mz c 100

mz
——直接顶厚度 ，m ——直接顶抗拉强度 ，MPa ——直接顶容重 ，t/m3
c

L L 0.5 3.14 2 2 wz t 100
• 日进3茬，每茬进度0.8m，中班2茬，夜班1
茬，早班充填，凝固时间8小时。
水泥
粉煤灰
煤矸石
水泥罐车压气卸料
罐车压气卸料
皮带运输机
水泥仓
粉煤灰仓
煤矸石堆场
星型给料机
星型给料机
电溜子
螺旋输送机 冲板流量计
螺旋输送机 冲板流量计
缓冲漏斗 圆盘给料机
搅拌桶
带式输送机 核子秤 减水剂槽
水池
搅拌桶
井巷充填管路
Ⅴ.在基本顶触矸后，随着采空区矸石压实，巷道 围岩移近速度逐渐趋于稳定。
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅵ.回采引起的顶板活动和应力分布趋向稳定后，
巷道围岩保持一定的流变速度。
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
下区段工作面
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
Ⅱ Ⅲ
1
2
u
0
u
Ⅳ
u
3
4
Ⅰ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅰ.在煤体内开掘巷道后，破坏了原始应力状态，巷道围岩出
现应力集中，在围岩塑性破坏发展过程中，巷道周边发生显 著移近。随着掘进时间延长，围岩移近速度将逐渐降低。
下区段工作面
沿空留巷变形分析
无煤柱开采技术
---采矿新技术之二
目录
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 无煤柱开采的概念 无煤柱开采的意义 沿空掘巷的位置与时间 沿空留巷适应性分析 预留变形巷旁充填技术 充填开采技术 实例
1.无煤柱开采的概念
沿空掘巷 区段平巷无煤柱
无 煤 柱 开 采
“充填开采”无煤柱
沿空留巷
采空区完全充填 局部充填
减少辅助运输量
方案II（未采区域）
① 布置长壁工作面 ② 轻型综合机械化回采 ③ 前面回采，后面条带充填。
充填参数计算
石灰岩初次裂断步距：
石灰岩的抗拉强度取4.9MPa，
空留巷工程试验，既有成功的经验，也有失
败的教训。大量的案例证明：在深部矿井开
采中，并不是所有的矿井地质与采动条件都
适合于沿空留巷，也就是说:
沿空留巷技术的应用是有条件的。
因此， ①对沿空留巷的围岩稳定性进行分类；
②确定适宜进行沿空留巷的地质条件；
③研究一种（几种）适应沿空留巷覆岩运动特点
的留巷工艺；
矸石
hc hd
该技术的核心思想是：
④ 采用单体液压支护配合铰接顶梁加强支护并对直接顶进行（或人工爆
破）切顶，对老顶进行让压给定变形；
⑤ 后期根据巷道围岩变形情况对巷道底板进行起底（卧底）扩修。
矸石 hd
hc
泡沫材料 4MPa材料
5.1 沿空留巷变形分析
沿空留巷变形分析
掘进工作面
上区段工作面
u u
充填采场
鲁西南某矿村庄下开采
采深120m。煤层厚度1.3m，f=1.5
顶板为均厚4.33m的石灰岩。
目前采用条带开采 条带宽度10m 开采宽度10m 条带长度80m 地表无沉陷。 目的：回收村庄压煤，控制地表下沉
方案I（已采区域）
① ② ③ ④ 首先充填已采条带 回采未采条带。工作面长度10m 充填…… 回采……
Ⅲ
中等 稳定
页 岩 砂页岩 粉砂岩 砂质泥 岩页 岩 泥 岩 页 岩
10～110 平均45.8
页岩 砂页岩 粉砂岩 砂质泥 岩 页岩
10～ 110
10
10～ 20
>200
Ⅳ
不稳 定
22～78平 均55.2
12.4～ 55
12
20～ 35
Ⅴ
极不 稳定
25～29平 均34,7
泥岩 页岩
9～35 平均 1.0