2.集賢煤礦沿空留巷可行性報告

1、龍煤集團雙鴨山分公司集賢煤礦沿空留巷及圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)研究（可行性研究報告）龍煤集團雙鴨山分公司集賢煤礦西安科技大學(xué)二一一年十一月19目 錄1 研究目的及意義22 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀32.1 國外沿空留巷技術(shù)研究的現(xiàn)狀32.2 我國沿空留巷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀42.3 沿空留巷理論研究現(xiàn)狀52.4 沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護主要形式62.5 沿空留巷技術(shù)存在的問題及改進建議73 項目研究的必要性84 合作單位的研究基礎(chǔ)與條件95 擬承擔(dān)單位的實施場地與技術(shù)基礎(chǔ)條件116 研究內(nèi)容、研究方法及技術(shù)路線126.1 研究內(nèi)容126.2 研究方法126.3 技術(shù)路線137 預(yù)期應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景、市場需求148 經(jīng)費的

2、預(yù)算159 年度進度和目標(biāo)1510 項目負(fù)責(zé)人、項目組成員及分工1611 參考文獻171 研究目的及意義我國的煤炭生產(chǎn)多采用井工開采，生產(chǎn)礦井每年新掘巷道2萬km，其中采區(qū)平巷進尺約占70%以上，絕大部分采區(qū)平巷長期以來一直沿用保留煤柱的方法維護，即在工作面之間留設(shè)35 m的窄煤柱或1530 m的寬煤柱，其目的是為了防止工作面與相鄰采空區(qū)通透漏風(fēng)而引起采空區(qū)的自然發(fā)火，同時也兼顧了工作面礦山壓力的影響。區(qū)段煤柱雖然短期內(nèi)對防治竄風(fēng)、自然發(fā)火起到一定作用，但造成煤炭資源的浪費（約占全礦煤炭損失的40%）。而且，采空區(qū)側(cè)煤柱被壓酥，甚至壓碎，極易造成采空區(qū)煤柱自然發(fā)火，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)；如煤

3、柱留設(shè)不合理，易形成應(yīng)力集中，造成其下伏巷道維護困難。因此，研究區(qū)段不留煤柱，實現(xiàn)工作面“y”型通風(fēng)，有效解決上隅角瓦斯積聚難題；實現(xiàn)采區(qū)無煤柱護巷、提高煤炭回收率和降低巷道掘進率，對安全生產(chǎn)、增加經(jīng)濟效益和社會效益都具有十分重要的意義。沿空留巷的基本方式是將當(dāng)上區(qū)段工作面采過后，將上工作面的運輸機巷或回風(fēng)巷用專門的支護材料進行維護，使此保留下來的巷道作為下區(qū)段工作面的運輸機巷或回風(fēng)巷，這樣一條巷道可以得到兩次利用。通過幾十年來我國礦井的大量實踐，可以認(rèn)為沿空留巷主要具有以下幾個優(yōu)點：（1）有利于合理開發(fā)煤炭資源，提高煤炭回采率。由于沿空留巷可以不留煤柱，故大大提高了煤炭回采率。據(jù)多數(shù)礦井的經(jīng)

4、驗，沿空留巷一般可使回采率提高1020%，有些礦井甚至提高2530%，回采率的提高相當(dāng)于增加礦井的儲量，延長了礦井壽命。（2）有利于改善巷道維護?；夭上锏烙捎谑懿蓜佑绊?，巷道受壓變形嚴(yán)重，維護困難，使勞動條件惡化，生產(chǎn)也不安全，這是長期未能解決的難題，大量現(xiàn)場經(jīng)驗表明，使用沿空留巷以后，礦井的巷道維護狀況都有不同程度的改善。經(jīng)過巷內(nèi)澆注混凝土沿空留巷實踐，沿空留巷后巷道維護量相對較小。（3）有利于降低巷道掘進率。應(yīng)用沿空留巷時，可在不同程度上降低巷道掘進量，因而可以降低巷道掘進率，可以根本上改善礦井采掘接替緊張的局面。根據(jù)對現(xiàn)有無煤柱開采系統(tǒng)的分析，一般情況下，采用沿空留巷可使巷道掘進率降低1

5、033%，有些礦井降低的幅度達到了40%以上。（4）有利于礦井安全生產(chǎn)。由于沿空留巷大量降低了煤炭損失，故在很大程度上消除了自然發(fā)火的根源和機率，并且對瓦斯的涌出也有明顯的降低作用。可實現(xiàn)y型通風(fēng)與h型通風(fēng)。據(jù)研究，在正確進行通風(fēng)管理的情況下，沿空留巷工作面回風(fēng)流中的瓦斯含量與留煤柱時工作面相比可以減少3050%，保證了安全生產(chǎn)。（5）有利于改善礦井技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。由于無煤柱開采具有上述的一些優(yōu)點，即多回收煤炭資源，節(jié)約支護材料，降低巷道維護費，減少掘進費用等，因此可以明顯提高礦井的經(jīng)濟效益。沿空留巷是合理開發(fā)煤炭資源，提高煤炭回收率，改善巷道維護，減少巷道掘進量，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技

6、術(shù)經(jīng)濟效益的一項先進的地下開采技術(shù)。推行沿空留巷，不僅對生產(chǎn)礦井進行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系和延長礦井壽命具有現(xiàn)實意義，而且也是使煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，增產(chǎn)、增盈減虧的主要途徑之一。沿空留巷技術(shù)能夠較好地實現(xiàn)無煤柱護巷，無論是在利用煤炭資源上，還是在采煤方法上都比留煤柱護巷具有很好的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 國外沿空留巷技術(shù)研究的現(xiàn)狀國外沿空留巷做得較多的是前蘇聯(lián)、德國、英國、波蘭等國家。前蘇聯(lián)在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)方面做了大量的研究工作，在理論上，提出了各類頂板下應(yīng)用沿空留巷的可行性，對留巷維護中有關(guān)的參數(shù)提出了理論計算方法或經(jīng)驗公式，并對留巷過程中采深和巖性不同時圍巖

7、移近量的方法進行了研究和實驗測量。德國無煤柱開采多為沿空留巷，其傳統(tǒng)的巷旁支護多采用木垛、矸石帶等，60年代末德國成功了采用石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、矸石加膠結(jié)料等低水材料作為巷旁充填，有效地減少了重型支架和巷道的變形，從而實現(xiàn)較大斷面巷道二次利用，取得了良好經(jīng)濟效益。英國煤層普遍較薄，多用沿空留巷，巷旁支護多采用矸石帶，并研制出了矸石帶機械化砌筑裝置。波蘭無煤柱開采應(yīng)用較多的是沿空留巷，在前進式或后退式采煤時都用單巷準(zhǔn)備，沿空根據(jù)走向開采或傾斜開采地質(zhì)條件，沿空留巷一般巷內(nèi)支護采用金屬可縮性支架，巷旁支護使用充填帶、矸石帶或混凝土墩柱等。2.2 我國沿空留巷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀沿空留巷技術(shù)自20世紀(jì)5

8、0年代在我國開始使用以來，一直是我國煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。到目前為止，我國在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面做了大量的工作，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善，巷旁支護、巷內(nèi)支護、加強支護及煤幫加固技術(shù)已趨成熟，但在條件困難的中厚煤層或厚煤層較大斷面巷道中采用沿空留巷技術(shù)仍存在著一些技術(shù)難題，使得一些礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時沒有取得預(yù)期的效果，甚至留巷失敗，從而限制了沿空留巷技術(shù)在我國更廣泛地推廣應(yīng)用。根據(jù)沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護方式，我國沿空留巷技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可分為以下四個階段。第一階段，20世紀(jì)50年代起，在煤厚1.5m以下的薄煤層中嘗試著用矸石墻作巷旁支護維護

9、工作面后方巷道，使一條巷道成功應(yīng)用二次。但由于矸石的沉縮量大，不能與巷內(nèi)支架相匹配，使得巷內(nèi)支架變形嚴(yán)重，維護工作量大，而且維護人員的安全性受到威脅。第二階段，20世紀(jì)60年代至70年代，在1.52.5m厚的煤層中應(yīng)用密集支柱、木垛、矸石帶、砌塊等作為巷旁支護，巷內(nèi)多采用木棚、工字鋼梯形支架支護，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的應(yīng)用。第三階段，20世紀(jì)80年代至90年代，在大力推行綜合機械化采煤后，隨著采高不斷增大、工作面推進加快、巷道頂?shù)紫鲁亮吭龃?，我國煤礦工作者在引進、吸收國外的沿空留巷技術(shù)的同時，發(fā)展了高水巷旁充填護巷技術(shù)。巷內(nèi)多采用u型鋼可縮性金屬支架。90年代初期，沿空留巷

10、理論與技術(shù)有了較大的發(fā)展，但由于巷內(nèi)支護大多為被動支護，加之巷旁充填技術(shù)還不完善，其支護技術(shù)難以適應(yīng)大斷面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技術(shù)應(yīng)用范圍又呈減少趨勢。第四階段，21世紀(jì)以來，隨著錨網(wǎng)索支護技術(shù)的推廣應(yīng)用和巷旁充填技術(shù)的不斷完善，我國在厚煤層綜放工作面進行了沿空留巷技術(shù)試驗研究，如潞安礦務(wù)局常村煤礦s2-6綜放工作面，巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護，巷旁支護運用高水材料充填加上空間錨栓加固網(wǎng)技術(shù)，進行綜放大斷面沿空留巷試驗，并取得初步成功。2.3 沿空留巷理論研究現(xiàn)狀國外沿空留巷研究已有較長的歷史，較有影響的理論是英國南威爾斯大學(xué)斯麥脫(smart)于1982年提出的巖梁傾斜理

11、論。該理論認(rèn)為巷旁支護對巷道基本頂起控制作用，主張用控制巷道煤柱側(cè)和巷旁支護側(cè)的頂板下沉量，即控制頂板傾斜度的方法作為設(shè)計巷旁支護工作阻力和可縮量的依據(jù)。孫恒虎教授等根據(jù)煤層頂板特征和彈塑性力學(xué)的有關(guān)理論，將長壁工作面沿空留巷的煤層頂板簡化成了層間結(jié)合力忽略不計的矩形“疊加層板”，認(rèn)為沿空留巷支護載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)。郭育光教授等研究認(rèn)為，巷旁支護應(yīng)具有早期強度高、增阻速度快的特點，緊隨工作面構(gòu)筑，及時支護直接頂，避免與上部基本頂離層，并切斷直接頂，減小巷旁支護載荷，控制巷道變形隨著工作面推進，巷旁支護阻力應(yīng)達到切頂阻力，當(dāng)基本頂彎矩在巷旁支護邊緣附近達到極限時，切斷基本頂?？迓涞捻肥?/p>

12、由于破碎后體積增大，當(dāng)充滿采空區(qū)時，更上位巖層在煤體和矸石的支撐下取得運動平衡，巷道圍巖變形趨向緩和。采高決定巷旁支護的切頂高度。巷旁支護阻力大小應(yīng)根據(jù)塊體不同時期的平衡條件推導(dǎo)出不同時期的巷旁支護阻力的計算式。李化敏教授分析了沿空留巷頂板巖層運動的過程及其變形特征，明確了頂板巖層運動各階段巷旁充填體的作用，根據(jù)充填體與頂板相互作用原理，確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護阻力的控制設(shè)計原則，并建立了相應(yīng)的支護阻力及合理壓縮量數(shù)學(xué)模型。漆泰岳教授等通過現(xiàn)場實測和理論分析對不同圍巖條件下基本頂斷裂引起的整體澆注護巷帶的支護強度和變形能力進行了深入研究，提出了使沿空留巷巷道保持穩(wěn)定的整體澆注護巷帶支

13、護強度與變形的理論計算方法，進而對沿空留巷整體澆注護巷帶的適應(yīng)性進行了研究。謝文兵教授等在工程實踐基礎(chǔ)上，采用適于分析巖層斷裂和垮落的數(shù)值分析軟件udec建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，詳細分析了綜放沿空留巷圍巖移動規(guī)律，系統(tǒng)分析了基本頂斷裂位置、端頭不放頂煤長度、原有巷道支護技術(shù)、充填體寬度、充填方式和充填體強度對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，得出了許多有益的結(jié)論。研究結(jié)果表明，在保證頂煤及頂板穩(wěn)定前提下，合理利用圍巖移動規(guī)律，確定合理充填方式和充填體強度，既能保證充填體穩(wěn)定，又能達到很好的留巷效果。朱川曲教授等根據(jù)綜放沿空留巷圍巖變形大且圍巖力學(xué)參數(shù)中有許多隨機變量的特征，闡述了其支護結(jié)構(gòu)可靠性

14、分析的必要性。應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)可靠性理論，建立了綜放沿空留巷支護結(jié)構(gòu)可靠性分析模型，得到了支護結(jié)構(gòu)可靠度的計算公式。研究認(rèn)為，通過合理選擇錨桿類型、加大錨桿支護密度、改善錨固體及充填材料力學(xué)性能等措施，可達到提高綜放沿空留巷支護結(jié)構(gòu)可靠性的目的。華心祝從如何提高頂板巖層的自承載能力入手，提出了一種主動的巷旁加強支護方式巷旁錨索加強支護，建立了考慮巷幫煤體承載作用和巷旁錨索加強作用的沿空留巷力學(xué)模型，并分析了巷內(nèi)錨桿支護和巷旁錨索加強支護的作用機理。利用理論分析所得結(jié)論，進行了工程實踐，為較大采高工作面沿空留巷技術(shù)提供了理論依據(jù)和借鑒經(jīng)驗。2.4 沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護主要形式（1）巷內(nèi)支護主要形式

15、目前我國沿空留巷巷內(nèi)主要支護形式有以下幾種：工字鋼梯形剛性金屬支架；工字鋼梯形可縮性金屬支架；u型鋼可縮性金屬支架；錨桿支護；錨網(wǎng)索支護；聯(lián)合支護。（2）巷旁支護主要形式我國煤礦在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時，絕大多數(shù)都要設(shè)置巷旁支護。應(yīng)用較多的巷旁支護形式有以下幾種：木垛；密集支柱；矸石帶；砌塊墻；巷旁充填墻。2.5 沿空留巷技術(shù)存在的問題及改進建議到目前為止，我國在沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用方面進行了許多的探索，積累了豐富的經(jīng)驗，從薄煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗。但是，由于我國煤礦地質(zhì)條件多樣，沿空留巷圍巖控制機理研究復(fù)雜、巷旁支護技術(shù)還不十分完善，在沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)

16、用中仍存在著不足之處，目前在支護設(shè)計思路、巷內(nèi)支護、巷旁支護及理論研究方面還存在一定問題。（1）支護設(shè)計思路問題以往采用沿空留巷技術(shù)，支護設(shè)計思路不合理，大多將工作面回采前的巷道掘進與回采后的留巷相互獨立，沒有統(tǒng)籌考慮，沒有將沿空留巷視為一項系統(tǒng)工程，如在對需要保留的巷道掘進前，進行巷道支護形式選擇和支護參數(shù)設(shè)計時，沒有預(yù)先考慮后期沿空留巷技術(shù)的需要，從而導(dǎo)致沿空留巷后巷內(nèi)支護體強度不能滿足兩次采動影響的要求、巷內(nèi)支護與巷旁支護不匹配，使留巷效果達不到預(yù)期目標(biāo)，甚至失敗。（2）巷內(nèi)支護問題大量理論研究和生產(chǎn)實踐表明，如何提高巷道圍巖強度，并正確選擇合適的巷內(nèi)支護方式是保證所留巷道在留巷后巷道穩(wěn)

17、定的關(guān)鍵。隨著綜采、綜放采煤技術(shù)的發(fā)展，工作面采高逐漸加大，由于工作面一次采出的煤層厚度增大，上覆巖層活動程度及波及的范圍相應(yīng)增加，回采巷道壓力隨采高的增加而增加，以及已采區(qū)和工作面采動引起的支承壓力的疊加作用，使巷道圍巖應(yīng)力增加，使得工作面超前支承壓力影響距離加大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，沿空留巷的頂板下沉量隨開采厚度增加而增大，在工作面前方附近，巷道斷面收縮率較大，若不采取合理的巷內(nèi)支護方式將所留巷道的變形控制在一定的范圍內(nèi)，則很難保證所留巷道在下區(qū)段回采時能正常使用。以前國內(nèi)沿空留巷巷內(nèi)支護多采用金屬支架，屬被動支護，即使加大型鋼重量、減小棚距仍難以維護所留巷道的穩(wěn)定，因此有必要采用一種能主動提供

18、支護阻力的巷內(nèi)支護方式。（3）巷旁支護問題巷旁支護作為沿空留巷的一個技術(shù)難點，在我國一直沒有得到很好地解決。傳統(tǒng)的巷旁支護存在支護阻力、可縮性等力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)、密閉性能差和機械化程度低等缺點，不利于巷道維護和防止采空區(qū)漏風(fēng)與自燃發(fā)火。所以，長期以來我國沿空留巷基本上只是應(yīng)用在條件較好的薄及中厚煤層，條件困難或厚煤層中采用這種方式留巷成功率不高，大部分留巷需要翻修方可復(fù)用。傳統(tǒng)的巷旁支護方式只適用于中厚以下煤層的低瓦斯礦井和無自然發(fā)火傾向的煤層。高水速凝材料與高水灰渣材料巷旁充填、硬石膏等風(fēng)力充填，都需要建立一套較為復(fù)雜的充填系統(tǒng)，而且充填設(shè)備性能不佳、充填材料成本較高。（4

19、）沿空留巷理論研究問題沿空留巷與一般的回采巷道不同，其巷道的一幫為實體煤壁，另一幫為人造幫，屬大變形圍巖；同時，還必須承受掘進和兩次強烈的采動產(chǎn)生的疊加應(yīng)力的影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈，它是一項極其復(fù)雜的工程技術(shù)。到目前為止，對沿空留巷圍巖控制機理研究不夠深入，對沿空留巷所處的應(yīng)力環(huán)境及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律掌握不夠，構(gòu)建的沿空留巷受力模型還不完善，還沒有一套行之有效的沿空留巷支護參數(shù)設(shè)計方法，不能很好的指導(dǎo)沿空留巷工程實踐，從而帶來以下兩種后果：一是因缺乏理論上的正確指導(dǎo)，在沿空留巷支護設(shè)計時，認(rèn)為安全系數(shù)越高越好，造成不必要的經(jīng)濟損失；二是在沿空留巷設(shè)計時，常因巷內(nèi)支護和巷旁支護參數(shù)選擇不合理而導(dǎo)致留巷失

20、敗，影響正常生產(chǎn)和煤礦安全，并造成重大的經(jīng)濟損失。3 項目研究的必要性沿空留巷是煤礦開采技術(shù)的一項重大改革，它可以解決煤礦生產(chǎn)中的許多重大技術(shù)難題。（1）緩解接續(xù)緊張矛盾集賢煤礦工作面接續(xù)任務(wù)十分艱巨，加之地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進速度緩慢，常常造成接續(xù)緊張，由于沿空留巷少掘一條巷道，可以有效緩解采掘接續(xù)緊張的矛盾，大幅度降低掘進率。（2）生產(chǎn)系統(tǒng)更加優(yōu)化為了便于沿空留巷和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，掘進時寬巷掘進，預(yù)留留巷空間。這樣不僅簡化了留巷位置頂板的支護問題，而且使生產(chǎn)系統(tǒng)更加優(yōu)化。首先，沿空留巷在第二個工作面生產(chǎn)時，只作回風(fēng)用途，這樣對沿空留巷巷道斷面和巷道內(nèi)布置要求不是很高，減少維修工作量，使沿空留巷的

21、優(yōu)越性得到進一步的體現(xiàn)；其次，為了保證接續(xù)面繼續(xù)進行沿空留巷，接續(xù)面的另一條巷道也寬巷掘進，寬巷掘進的接續(xù)面巷道既作皮帶運輸，也作膠輪車輔助運輸。（3）提高了煤炭回收率由于沿空留巷取消了20m寬的區(qū)段煤柱，該部分煤柱得以回收使得工作面煤炭回收率提高10%，單個工作面就增加上千萬的經(jīng)濟效益。（4）避免了孤島開采沿空留巷使得工作面不再需要進行跳采，避免了孤島開采，從而也避免了孤島工作面開采帶來的一些礦井災(zāi)害與技術(shù)問題，尤其是深部孤島開采帶來的諸如高支承壓力等一系列問題。（5）工作面實現(xiàn)“y”型通風(fēng)，有效解決上隅角瓦斯積聚難題集賢煤礦屬于高瓦斯礦井，工作面回采時，上隅角瓦斯超限，采用沿空留巷技術(shù)后，

22、工作面可實現(xiàn)“y”型通風(fēng)，有效解決上隅角瓦斯積聚難題。4 合作單位的研究基礎(chǔ)與條件（1）項目申請者一直從事礦山壓力及巖層控制方面的研究，參加了多項與申請項目有關(guān)的國家級、省部級科研計劃項目。對采場覆巖移動、沿空巷道上覆基本頂斷裂結(jié)構(gòu)與人造幫變形規(guī)律提出了一些新的見解：提出了沿空巷道上覆基本頂存在4種斷裂結(jié)構(gòu)形式，基本頂斷裂位置與人造幫的穩(wěn)定性關(guān)系密切；由于基本頂斷裂位置不同，引起煤壁壓縮變形量和人造幫壓縮變形量差別較大，對留巷圍巖穩(wěn)定性影響較大，導(dǎo)致巷道圍巖控制側(cè)重點不同；為適應(yīng)基本頂“給定變形”的要求，提出了人造幫采用“軟+硬”結(jié)構(gòu)，既適應(yīng)了基本頂斷裂回轉(zhuǎn)下沉，又提供了足夠支護阻力；提出了人

23、造幫合理強度和合理尺寸的確定方法；研究成果在部分礦井得到了應(yīng)用。這些研究成果為本項目研究打下了基礎(chǔ)。（2）近年來，項目組主要成員在彬長礦區(qū)、邯鄲礦業(yè)集團、山西天池煤礦、棗莊礦業(yè)集團、鐵法礦業(yè)集團開展沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)的橫向合作課題研究，并取得了滿意的技術(shù)經(jīng)濟效果。完成了包括國家自然科學(xué)基金在內(nèi)的多項與本項目有關(guān)的縱向研究課題，積累了較豐富的研究經(jīng)驗，并有效地指導(dǎo)了礦區(qū)安全開采，經(jīng)濟與社會效益顯著。（3）近年來，申請者及項目組主要成員在中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報、煤炭學(xué)報、巖石力學(xué)與工程學(xué)報、煤炭科學(xué)技術(shù)等刊物上公開發(fā)表30余篇有關(guān)學(xué)術(shù)論文，使本申請項目的研究具有較好的理論基礎(chǔ)。（4）申請人和項目

24、組主要參與者完成或正在承擔(dān)的與本項目相關(guān)的項目有： 綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制機理研究（50374065），國家自然科學(xué)基金資助項目，已完成。依托該項目發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇，其中ei、istp收錄10篇，培養(yǎng)2名博士研究生和6名碩士研究生?；谙飪?nèi)充填沿空留巷新技術(shù)方案，針對綜放沿空留巷的特點和難點，綜合運用現(xiàn)代力學(xué)理論和采礦原理，合理利用先進的數(shù)值模擬和物理模擬方法，首次將關(guān)鍵層理論引入沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制設(shè)計，初步分析了關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)；建立了綜合考慮充填體、煤幫及頂煤變形協(xié)調(diào)的綜放沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，定量計算充填體穩(wěn)定所需的強度和變形量、頂煤的應(yīng)力分布及變形特征，對影響圍巖穩(wěn)定性的各

25、種因素進行了詳細的多元分析和敏感度分析，弄清了主要影響因素；分析了綜放沿空留巷圍巖大變形機理，并提出合理的圍巖穩(wěn)定性控制原理；較詳細分析了充填體穩(wěn)定性的時間效應(yīng)及上區(qū)段采空區(qū)底膨?qū)Τ涮铙w穩(wěn)定性的影響。 預(yù)置矸石充填帶置換窄煤柱沿空掘巷新技術(shù)（棗莊礦業(yè)集團高莊煤礦，已完成），主要承擔(dān)研究內(nèi)容：為實現(xiàn)井下矸石不升井和無煤柱開采的井下清潔開采技術(shù)，創(chuàng)造性地提出了以矸石為骨料預(yù)筑人造幫置換窄煤柱的二步驟沿空掘巷新技術(shù)及其內(nèi)涵：第一步，上區(qū)段采前沿下區(qū)段煤壁側(cè)預(yù)筑人造幫；第二步，下區(qū)段緊貼人造幫沿空掘巷。針對高莊煤礦西五采區(qū)地質(zhì)條件，在分析井下矸石來源與分類處理的基礎(chǔ)上建立井下矸石分選系統(tǒng)，提出了人造幫

26、構(gòu)筑步驟，建立了預(yù)筑人造幫沿空掘巷的力學(xué)模型，對影響人造幫穩(wěn)定性的人造幫寬度、強度、變形等關(guān)鍵參數(shù)進行了分析。確定現(xiàn)場人造幫的強度等級為cl20；人造幫寬度為1600 mm，高度為4000 mm?，F(xiàn)場工業(yè)性試驗效果驗證了技術(shù)的合理性，取得了良好的經(jīng)濟與社會效益。 薄煤層沿空留巷技術(shù)（天能集團柳泉煤礦，已完成），主要承擔(dān)研究內(nèi)容：依據(jù)7101工作面具體地質(zhì)條件，在巷道原支護參數(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用巖土工程分析軟件flac對矸石帶寬度進行了數(shù)值計算分析，得出合理的矸石帶寬度為2500 mm?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，留設(shè)矸石帶寬度是合理的，能降低巷道掘進率和減少矸石排放量，達到了7煤薄煤層高產(chǎn)高效的目的。 綜采原

27、位沿空留巷技術(shù)（鐵法礦業(yè)集團小青礦，已完成），主要承擔(dān)研究內(nèi)容：針對小青礦e1403工作面地質(zhì)條件，先超前工作面對回采煤壁進行擴幫加固；通過實驗分析確定人造幫合理強度及尺寸；采用泵送混凝土充填系統(tǒng)，巷內(nèi)充填隨回采工作面的推進而間續(xù)逐段實施，采用液壓充填模板支架實現(xiàn)快速充填；為提高人造幫的支護阻力，采用三維加強筋加強充填墻體。取得了滿意的沿空留巷效果。 新型高水材料原位沿空留巷技術(shù)（邯鄲礦業(yè)集團陶一煤礦，已完成），主要承擔(dān)研究內(nèi)容：針對12701工作面地質(zhì)條件，先超前工作面對回采煤壁進行擴幫加固；采用高水（zkd）充填材料，通過實驗分析確定人造幫合理強度及尺寸；采用泵送充填系統(tǒng)在巷內(nèi)充填，采用空

28、間錨栓加強充填墻體。取得了滿意的沿空留巷效果。不僅解決了陶一礦采掘接替緊張的狀況，改善了礦井安全狀況，而且較大幅度地提高礦井資源回收率，降低了礦井掘進率，延長了礦井服務(wù)年限，為礦井的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 燕家河煤礦區(qū)段煤柱合理寬度優(yōu)化研究（河北中達公司，已完成），主要研究內(nèi)容：沿空巷道基本頂結(jié)構(gòu)探測技術(shù)、8#煤蠕變特性分析、支護方案優(yōu)化、合理煤柱寬度優(yōu)化、煤柱應(yīng)力場數(shù)值模擬分析及實測技術(shù)等。該項目部分研究成果為本申請項目研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。 復(fù)雜地質(zhì)條件下煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)研究（邯鄲礦業(yè)集團，已完成），主要研究內(nèi)容：沿空巷道基本頂結(jié)構(gòu)探測技術(shù)、松軟破碎沿空掘巷圍巖控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、2#

29、煤蠕變特性分析、合理煤柱寬度優(yōu)化、煤柱應(yīng)力場數(shù)值模擬分析及實測技術(shù)等。該項目部分研究成果為本申請項目研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。 軟煤分布無規(guī)律煤層防突技術(shù)研究（山西和順天池能源有限責(zé)任公司，正在進行），主要承擔(dān)研究內(nèi)容：通過物理相似模擬試驗和數(shù)值模擬試驗，結(jié)合現(xiàn)場觀測，建立相應(yīng)的圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，研究沿空巷道上覆基本頂斷裂特征，分析卸壓帶寬度，確定合理的掘巷位置；在卸壓區(qū)內(nèi)掘進，實現(xiàn)掘進工作面安全快速掘進。5 擬承擔(dān)單位的實施場地與技術(shù)基礎(chǔ)條件西安科技大學(xué)是西部唯一的礦業(yè)類高等院校，擁有“教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室”，實驗室擁有多套相似材料模擬試驗臺、采礦工程大型數(shù)值模擬分析軟件

30、（flac、udec、rfpa等）、mts試驗平臺、10000kn大尺寸蠕變試驗系統(tǒng)、電子萬能試驗系統(tǒng)、letry電液伺服巖石三軸動靜試驗機等先進試驗儀器，具備完成該項目的實驗條件。在礦山壓力與巖層控制方面，具有一支長期服務(wù)于礦山的科研團隊，近5年來與兗州、徐州、邯鄲、淮南、淮北、新汶等礦務(wù)局合作完成了30余項與本課題相關(guān)的科研項目，具有扎實理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，項目主要參加人員近5年來在國內(nèi)外核心期刊上發(fā)表了40余篇與本項目相關(guān)的科技論文，為項目的順利實施奠定了堅實的基礎(chǔ)。6 研究內(nèi)容、研究方法及技術(shù)路線6.1 研究內(nèi)容沿空巷道整體穩(wěn)定性控制技術(shù)是沿空留巷技

31、術(shù)的關(guān)鍵，本項目以沿空巷道上覆基本頂結(jié)構(gòu)、人造幫及沿空巷道為研究對象，圍繞沿空巷道及其穩(wěn)定性控制技術(shù)、人造幫蠕變特性及其穩(wěn)定性控制技術(shù)展開系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容如下：（1）分析基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式對人造幫穩(wěn)定性的影響。系統(tǒng)分析四種基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式下，基本頂斷裂回轉(zhuǎn)下沉作用在人造幫上的載荷變化規(guī)律，以及人造幫應(yīng)力、變形規(guī)律及主要影響因素；（2）具體地質(zhì)條件下沿空巷道基本頂斷裂結(jié)構(gòu)的探測；（3）分析不同基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式下基本頂斷裂回轉(zhuǎn)下沉動載效應(yīng)對人造幫穩(wěn)定性的影響；（4）在試驗室進行人造幫強度配比力學(xué)試驗及其蠕變特性分析；（5）基于人造幫蠕變特性分析，提出人造幫合理強度、高寬比的確定方法；（

32、6）沿空巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，對錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，確定合理支護方案，同時提出沿空巷道圍巖強化技術(shù)；（7）針對巷道承載的薄弱環(huán)節(jié)，提出結(jié)構(gòu)補償支護技術(shù)提高沿空巷道整體穩(wěn)定性；（8）確定人造幫施工工藝；（9）現(xiàn)場工業(yè)性試驗，開展沿空留巷及預(yù)置人造幫二步驟沿空掘巷的工程實踐研究。6.2 研究方法項目綜合采用理論分析、實驗室?guī)r塊實驗、數(shù)值模擬、物理模擬、工業(yè)性試驗等研究方法對沿空留巷、預(yù)置人造幫沿空掘巷及其圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)展開系統(tǒng)的研究。研究方法如下：（1）實驗室?guī)r塊實驗在實驗室進行煤巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試實驗，同時進行人造幫試件強度配比實驗、基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試實驗、蠕變特性參數(shù)測試實驗。（2）

33、理論分析理論分析推導(dǎo)四種基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式下，基本頂作用在人造幫上的靜載荷計算公式?；趯嶒灁?shù)據(jù)分析，得到人造幫的極限蠕變載荷及破壞載荷；并通過理論分析，得到人造幫應(yīng)力、應(yīng)變與時間的本構(gòu)關(guān)系，對人造幫長期穩(wěn)定性進行分析，得到人造幫保持長期穩(wěn)定性的長期強度和合理的高寬比。（3）數(shù)值模擬分析采用動力分析軟件ls-dyny對基本頂斷裂回轉(zhuǎn)下沉作用在人造幫上的動載效應(yīng)進行分析，系統(tǒng)分析人造幫應(yīng)力與應(yīng)變規(guī)律。采用非線性數(shù)值分析軟件udec分析基本頂不同斷裂結(jié)構(gòu)形式下人造幫應(yīng)力與變形的變化規(guī)律；對人造幫寬度進行優(yōu)化設(shè)計，分析人造幫在不同寬度條件下的應(yīng)力與變形的關(guān)系；對沿空巷道錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。（4

34、）物理模擬采用物理模擬基本頂不同斷裂結(jié)構(gòu)條件下人造幫應(yīng)力變化規(guī)律及沿空巷道覆巖變形破壞特征。（5）工業(yè)性試驗現(xiàn)場探測沿空巷道基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式。綜合以上研究成果，提出人造幫合理強度和高寬比的確定方法、人造幫快速充填工藝、人造幫的強化技術(shù)、沿空巷道圍巖控制技術(shù)方案、沿空巷道礦壓監(jiān)測方案，提出降低動載效應(yīng)對人造幫影響的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)圍巖裂隙場的發(fā)育情況，提出沿空巷道圍巖強化技術(shù)。6.3 技術(shù)路線項目綜合采用理論分析、物理模擬、數(shù)值模擬、實驗室?guī)r塊實驗、工業(yè)性試驗等研究方法對龍煤集團雙鴨山分公司無煤柱開采及沿空巷道圍巖穩(wěn)定性控制關(guān)鍵技術(shù)展開系統(tǒng)的研究。項目具體技術(shù)路線見圖1所示。圖1 項目研究技術(shù)路

35、線7 預(yù)期應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景、市場需求（1）預(yù)期應(yīng)用及競爭力分析項目以沿空巷道及上覆基本頂為研究對象，圍繞沿空巷道穩(wěn)定性控制為中心，基于沿空巷道上覆巖層不同斷裂結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)分析不同人造幫寬度條件下的圍巖變形規(guī)律及特點、人造幫蠕變特性，預(yù)期成果配套性強、體系完整；項目在堅持自主創(chuàng)新的同時，注重引進、吸收和消化國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的成熟技術(shù)和最新成果，可保證項目的創(chuàng)新性和先進性。根據(jù)集賢煤礦9煤特點，自主創(chuàng)新開發(fā)10000kn大尺寸煤巖蠕變實驗裝置，對松軟煤層蠕變特性進行深入研究，分析人造幫蠕變極限載荷及破壞載荷，結(jié)合數(shù)值模擬實驗和相似材料實驗結(jié)果，合理確定沿空掘巷人造幫寬度，實現(xiàn)無煤柱護巷，有利于提高

36、煤炭資源回收率、大幅度降低巷道掘進率、延長礦井服務(wù)年限，也可以消除或減少因煤柱引起的煤層自然發(fā)火，也有利于巷道維護。因此，項目研究開發(fā)的技術(shù)與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，在國內(nèi)乃至國際市場上都具有很強的市場競爭力。（2）效益、風(fēng)險預(yù)測本項目可為實現(xiàn)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制提供一定的依據(jù)，從而保證沿空巷道滿足工作面回采的要求，同時有利于提高煤炭資源回收率、大幅度降低巷道掘進率、延長礦井服務(wù)年限等多重效益。本項目是在我國全面落實“以人為本”科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建和諧社會和全面建設(shè)小康社會的背景下提出的。因此，項目立項研究符合我國社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)政策，無政策性風(fēng)險。本項目承擔(dān)單位西安科技大學(xué)，為本項目的研究奠定了雄厚

37、的前期基礎(chǔ)；提出了科學(xué)合理的研究方案和技術(shù)路線，項目研究完成后重點和難點問題將取得一定突破。因此項目的實施無大的技術(shù)風(fēng)險。項目申請書是項目組在全面調(diào)研國內(nèi)外沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合課題組多年項目實踐經(jīng)驗編寫而成的。項目在立項批準(zhǔn)后，將由西安科技大學(xué)和龍煤集團雙鴨山分公司展開研究，并進行全程的監(jiān)督和管理。因此項目的管理風(fēng)險可降到最低點。綜上所述，項目無論從研究基礎(chǔ)、推廣應(yīng)用前景，組織管理方式來看，還是從科研能力、研究隊伍實驗條件來看，項目的立項實施均無大的風(fēng)險，能達到預(yù)期的目標(biāo)。8 經(jīng)費的預(yù)算研究開發(fā)經(jīng)費：壹佰肆拾捌萬元人民幣，詳見表1所示。9 年度進度和目標(biāo)（1）2011年9月：資料收集與調(diào)

38、研，巷道圍巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試，沿空巷道上覆基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式的探測，沿空巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)方案的確定。（2）2011年10月：基本頂不同斷裂結(jié)構(gòu)形式對人造幫穩(wěn)定性的數(shù)值計算分析，預(yù)裂爆破基本頂及爆破效果的探測，人造幫強度配比力學(xué)試驗及其蠕變特性力學(xué)試驗分析。（3）2011年11月：人造幫關(guān)鍵參數(shù)及施工工藝的確定。（4）2011年12月2012年8月：在西二區(qū)二片皮帶道開展沿空留巷的工程應(yīng)用研究，滯后工作面進行沿空巷道上覆基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式的探測分析，開展礦壓觀測分析。（5）2012年9月底：提交研究報告，甲方組織專家組進行項目鑒定。表1 沿空留巷項目研究經(jīng)費預(yù)算表序號項目費用/萬元1文獻檢

39、索、調(diào)研費、差旅費92煤巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試費43人造幫強度配比試驗及其基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試費84人造幫蠕變特性基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試費85相似材料模擬實驗費106數(shù)值計算分析實驗費10710000kn大尺寸人造幫蠕變特性實驗費158采前基本頂預(yù)裂爆破及效果檢測技術(shù)方案169基本頂斷裂結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試費1510沿空巷道圍巖控制技術(shù)方案1211礦壓觀測費1312科研報告裝訂打印、成果查新費413成果鑒定費414項目管理費（項目經(jīng)費的20%）2015合計14810 項目負(fù)責(zé)人、項目組成員及分工（1）項目主要負(fù)責(zé)人簡介趙維國：高工，龍煤集團雙鴨山分公司副總工程師，撰寫論文10多篇，先后參加了多項省部級科研項目，并多次獲獎。李樹剛：教授，博士生導(dǎo)師，省部級專業(yè)技術(shù)拔尖人才，國家煤礦安全技術(shù)會診專家，本項目承擔(dān)主要研究方案的確定?，F(xiàn)任西安科技大學(xué)副校長，主要從事采場礦壓、圍巖活