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1、XX 集团创新实践基地科研启动集团创新实践基地科研启动项目立项申请书项目立项申请书项目名称：XX 煤矿无巷道开采技术研究申 请 人： XX 煤矿 所在单位： XX 煤矿 申报日期： 2017-12-10 X X 集 团 有 限 公 司二 O 一 七 年 制1一、简表一、简表项目名称XX 煤矿无巷道开采技术研究申请经费 （万元）196起 止 年 限2017.07.01-2018.03.311项目负责人基本情况项目负责人基本情况姓 名 性别出生 年月联系 电话毕业学校毕业 时间主要研究领域煤矿开采2主要研究人员情况主要研究人员情况姓 名性 别年 龄职称学位单位年参加 月数项目中的 分工签 名7协助
2、设 计、指 导实施7协助设 计、指 导实施8协助设 计、指 导实施9协助设 计、指 导实施8协助设 计、指 导实施9协助设 计、指 导实施10现场指挥、 协调210现场技术 指导二、立论依据二、立论依据项目的研究意义、国内外研究现状分析，附主要的参考文献1.1 研究背景及意义研究背景及意义我国煤炭资源七成以上分布晋陕蒙及华北等地区，南方煤炭资源较少。南方煤矿，概念中几乎是煤层赋存条件差、生产成本高、煤质差、井型小及灾害严重的代名词。在北方煤矿快速推广高产高效技术、国内煤炭产能的严重过剩、市场竞争日趋激烈的背景下，南方煤矿生存压力陡增。借“关闭小煤矿，淘汰落后产能”之势， “关南放北”、 “南方
3、退出煤炭行业让市场”等声音频现。目前，南方煤矿依然承担着保障数十万人就业、促进社区经济发展的重大社会责任，肩负着稳定地区煤炭价格、保证能源供给安全的重要历史使命，同时是我国探索复杂地质条件下采煤技术、提高煤炭资源采出率的排头兵和先行者，从社会就业、能源安全及行业科技的角度来看，南方煤矿在未来相当长的一段时间内依然是我国煤炭行业的重要组成部分和关键环节，占据着不可替代的重要位置。如何提高有限的煤炭资源的采出率一直是煤炭科技领域的重要课题，全国各大矿区均进行了大量的研究与实践探索，尤其是在煤炭资源相对匮乏的南方矿区。快速发展、日趋成熟的沿空留巷技术具有可有效降低巷道掘进量、大幅度减少煤柱留设、快速
4、降低生产成本及增加生产连续性等显著优点，成为了各大矿区提高资源采出率的重要技术手段。但受制于整体技术水平、生产作业习惯及成本控制计算方法等因素，相对于北方地区，南方地区各矿井沿空留巷技术相对滞后、应用范围小，很多矿区未能形成体系化的与南方煤矿采矿地质条件相适应的沿空留巷成套技术。XX 煤矿已先期进行了无巷旁充填沿空留巷技术的探索与实践，目前主要采用 U 型钢支架+锚网索等联合支护技术进行沿空留巷，并辅助爆破切顶、采空区喷浆隔离等技术确保沿空巷道的稳定和安全使用，初步形成了相应的施工工艺流程与维护方法。本研究以 XX 煤矿为研究背景，围绕无巷旁充填沿空留巷围岩稳定性控制机理和3技术进行研究，重点
5、掌握沿空成巷工艺流程及监测技术、成本控制等问题，从理论和实践两个层面，建立和完善具有 XX 特色的采区无巷道开采技术体系。该项目可为煤矿沿空成巷提供理论和技术支持，同时进一步丰富煤矿井工开采工艺技术体系。鉴于各矿区普遍存在类似问题和应用需求，该技术拥有广阔的推广应用前景。1.2 国内外研究现状及发展动态国内外研究现状及发展动态我国煤炭生产一直以长壁开采 121 工法为主，即每回采 1 个采煤工作面，需掘进 2条回采巷道、留设 1 个区段煤柱。N00 工法以中国科学院院士、中国矿业大学（北京）教授何满潮提出的切顶短臂梁理论为指导，采用恒阻锚索对巷道顶板加强支护，运用采前切顶卸压技术，做到整个盘区
6、的 N 个采煤工作面回采结束，均无需掘进回采巷道和留设区段煤柱，即 N 个采煤工作面、0 条回采巷道、0 个区段煤柱。“N00 工法”改变了传统的与矿山压力作斗争的形式，借力打力，利用矿山压力自动切顶形成回采巷道，把采煤与掘进两套工序统一起来，使每个采煤工作面少掘进或不掘进回采巷道。 “N00 工法”减少了煤矿安全事故、增加了煤炭产量，具有重大的社会效益和经济效益。总体而言，沿空留巷技术现在依然处在一个急速发展的黄金时期，但对于沿空成巷技术即对“N00 工法”成巷支护工艺应用国内研究仍然较少。（ （1）留巷位置覆岩活）留巷位置覆岩活动规动规律律沿空巷道上覆岩层活动规律尽管具有独特性，但又与常规
7、工作面回采时上覆岩层的活动规律有密切关联。钱鸣高等1提出了采场上覆岩层的“砌体梁”结构力学模型、 “关键层”理论等，详细阐述了覆岩中的厚硬岩层所承受的载荷及变形破坏规律。宋振骐2提出了“传递岩梁”力学模型，认为破断岩梁始终能向煤壁前方及采空区矸石传递作用力，支架与岩梁间的相互作用存在“给定变形”和“限定变形”2 种工作方式。陆士良3经过研究，认为留巷顶板下沉量与采厚成正比例关系，下沉量占采厚的 10%20%，在整个变形过程中属“给定变形”。何廷峻4通过分析工作面端头形成的三角形悬顶破断结构，预测了该结构在留巷过程中破断的位置及时间，为确定滞后加固所留巷道的时间和长度提供了理论支撑。孙恒虎等5通
8、过相似材料模拟试验探究了沿空留巷围岩活动的前期和后期规律，提出了前期支护以“顶”为主、后期支护以“让”为主的围岩控制理念。侯朝炯等6以综放沿空掘巷围岩的特点为基础，提出了围岩大小结构的原理，将基本顶沿倾斜方向形成的结构作为沿空掘巷围岩的大结构，将巷道周围锚杆组合支护以及锚杆与围岩组成的锚固体作为小结构。柏建彪7在所建立的沿空掘巷基本顶弧形三角块结构力学模型的基础上，对该结构在掘巷前后及受采动影响时的稳定性进行了力学分析，阐述了该结构的稳定性对沿空掘巷的影响，理论研究和工程实践均表明基本顶破断后形成砌体梁结构形成了沿空巷道的上部力学边界。（ （2）沿空留巷巷旁支）沿空留巷巷旁支护护阻力阻力4国内
9、外学者对沿空留巷巷旁支护阻力进行了深入研究，Whittaker 等在岩体结构静力关系的基础上提出了分离岩块力学模型。前苏联学者 B胡托尔诺依将采场矿压悬梁模型在沿空留巷中进行了推广，推导了巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式。Smart 等提出了顶板倾斜力学模型，提出了限制巷道煤体一侧到采空区边缘间顶板下沉量的思路，认为巷旁支护设计的 2 个关键参数在于顶板倾斜角和转动支点位置。陈名强8认为巷旁支护的工作阻力应能承受由于支撑点和上覆岩层载荷重心不一致引起的附加载荷、上覆岩层破断时的动压载荷、弧三角板悬板结构重量及其破断前移时的载荷。孙恒虎等5将简化了的矩形“叠加层板”代替长壁工作面沿空留巷的煤层
10、顶板，通过条带载荷法和塑性极限分析法确定了留巷巷旁支护阻力及巷旁支护体后期阻力的计算方法。周华强等9通过试验研究，认为巷旁充填体通过改变顶板弯矩分布、切落采空侧顶板可控制顶板下沉，减少作用于支护体系上的载荷，并为留巷顶板平衡创造条件。柏建彪10根据块体不同时期的平衡条件推导了不同时期的巷旁支护阻力计算式，但巷道围岩和老顶断裂位置等参数的选定往往受人为因素的影响。马立强等11在巷内充填原位沿空留巷技术基础上，提出了巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型，并深入分析了围岩与充填体间的相互作用关系。（ （3）巷内及巷旁支）巷内及巷旁支护护技技术术a.巷内支巷内支护护技技术术沿空留巷巷内基本支护由早期的
11、金属支架或木棚被动支护逐步向锚杆（索）主动支护转变12。随着巷道围岩载荷、变形的增加，原使用的金属支架型钢重量不断增加，棚距日益减小，留巷费用居高不下。据统计，不少矿区使用的 U 型钢可缩性支架受采动影响发生的支架变形破坏较为严重，原因：由于金属支架无法紧密接顶，沿巷道周边和轴向载荷分布不均匀，产生由于支架变形导致的弹性抗力，即被动载荷；由于支架在载荷作用下产生缩动，支架几何尺寸的改变导致装配应力的产生，进而使支架内力随之改变；由此可见，金属可缩性支架在沿空留巷中的应用受到了限制。沿空巷道稳定的关键在于对巷道两帮和顶板的控制，采用锚杆支护方式对巷内顶板进行主动控制，提高围岩的极限强度和破碎围岩
12、的残余强度，使得围岩的自承能力得到充分发挥。因此，沿空留巷采用加长锚固的高强度锚杆（索）支护，对巷内顶板具有良好的保护效果13-14。沿空留巷在工作面采动及采后留巷期间，即在上区段工作面采前 20m 及采后 100m范围内，巷道围岩活动强烈，该范围内需采用加强支护方式，目前一般宜采用单体液压支柱或专门研制的支架的方式进行加强支护。b.巷旁支巷旁支护护技技术术沿空侧巷旁支护体材料和性能的选择直接决定了沿空留巷施工的成败。支护体需在短时间内承载快强，通过一定的支护阻力将采空侧的悬空顶板切落，并能够适应留巷后期围岩的剧烈变形。目前多数矿井在应用沿空留巷技术时都设置巷旁支护15。木垛巷旁支护。木垛巷旁
13、支护在沿空留巷技术发展的初期应用较多，形式多为单排5木垛。优点是控顶面积大，采空侧单排木垛适于挡矸，架设灵活、方便，后期支承能力大，相对稳定。缺点是木材消耗量大；早期低支承能力无法起到减缓顶板下沉的作用；木垛可缩量大，无法起到切断采空区顶板的作用；木垛属宽幅巷旁支护类型，增加了作用于巷内支架上的载荷；无法对采空区实现封闭12。该形式主要适用于薄及中厚煤层。密集支柱巷旁支护。密集支柱属中强度、有限可缩量的窄幅巷支护类型。支柱早期承载快强，易通过改变架设间距调节其承载能力，适用于不同的采高。该支护形式对顶底板的完整性要求较高，软弱顶底板条件下支柱易于插入顶底板进行卸载，进而失去支撑和切顶作用，极易
14、受采空区冒落矸石的冲击发生倾倒，支柱的架设质量决定了其工作性能12。密集支柱适用于薄及厚煤层以及围岩中等稳定以上条件的巷道。矸石带巷旁支护。矸石带属宽幅、大可缩量巷旁支护类型。但由于矸石带初期不承载、后期压实后承载性能提升，但此时顶板已大量下沉并失去稳定性。堆砌的矸石带增加了顶板的悬跨度，易造成顶板沿煤壁边缘断裂致使巷内支护体上载荷增加。但该支护方式材料来源广泛、价格低廉，在经济上是有效的巷旁支护方式，对于顶板较稳定的巷道，在确保砌带速度、砌筑质量的前提下，沿空巷道后期会取得较好的支护效果16-17。该支护形式多应用于薄煤层沿空留巷。人造砌块巷旁支护。人造砌块作为巷旁支护方式，优点是材料来源广
15、、价格低廉、构件的刚性大、承载快，压缩 2%便可达到最大载荷；缺点是受载超过抗压时砌块易脆性破坏，导致承载能力迅速下降，大采高留巷应用砌块支护存在稳定性差等问题18-19。高水速凝材料巷旁支护。高水速凝材料混合后具有凝固快速、承载快强、塑性变形量大、易于泵送、构筑机械化程度高等优点。但由于材料价格相对较高，对充填袋的要求（抗静电、阻燃）也较高，因而制约了其在煤矿中的广泛应用。高水速凝充填材料是在高水速凝材料中按配比加水搅拌获得，28d 强度可达 8MPa20MPa。高水灰渣充填材料是高水速凝材料外加活性灰渣进行改性得到的一种充填材料，28d 强度可达3MPa5MPa。应用高水充填新技术时需建立
16、较完善的充填材料加工制备和泵运充填系统，前期成本投入较大，此外，充填体受材料、工艺性能的影响，导致接顶质量得不到保障，因而仍难以推广应用20-21。膏体材料巷旁支护。膏体材料巷旁支护是将膏体状充填材料经加工制备、泵送、钢管输至由模板构筑的充填空间内凝结而成。材料由胶结料、骨料加水搅拌混合均匀而成，矸石在材料中的比重可达 85%以上，减少了矿井地面排矸，膏体材料 28d 强度可达39MPa。膏体材料巷旁支护的塑性变形特征显著，材料达到峰值强度后，随着变形的增大，承载能力缓慢下降。该特性使得巷旁支护在整个留巷过程中实现了“让”与“抗”的有机结合，保证了巷道的支护效果。从材料力学特征、经济性等方面分析，沿空留巷应用膏体材料巷旁充填技术是可行的。综综上可知，沿空留巷的上可知，沿空留巷的围围岩岩变变形控制理形控制理论论、支、支护护装装备备研研发发及工及工艺艺流程等方面已流程等方面
