标题：沿空留巷
1.1. 问题的提出
1.1.1. 国外代表上世纪60年代英国、德国开始采用。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。分别采用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。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，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、特别是没有掌握矿山压力规律，从根本上扭转巷道维护困难的局面而没有得到推广。1.1.2. 我国典范实践证明，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。
在掌握了沿空留巷的内在本质的基础上，西安科技大学惠兴田课题组认真分析近年沿空留巷研究成果。专注于及时和高强两方面兼顾上上下功夫。在此基础上研究并发明了封闭模铸砌体结构。这种隔墙技术由于采用预制混凝土技术作为隔墙高强内核使得隔离墙具有早期高强度，以注浆技术的密闭和充填性作为支护的及时性可以保证砌体墙体既有严密的封闭性又能够及时贴顶支护。这种技术一次解决了现有混凝土隔墙技术无法解决的及时性和高强度问题。而且成本远远低于一般泵送混凝土的成本。
对沿空留巷具有代表意义的专利技术：发明4项：矿用锚柱及预支撑锚柱网沿空留巷方法，一种刚柔复合结构模板及其沿空留巷隔墙施工方法；可变弹性接顶模板及其施工方法；用于沿空留巷的综合一体机及其施工方法。实用新型2项：一种沿空留巷砌筑隔离墙使用的复合模板；一种变形内胎模板。
1.2.无煤柱开采意义　
减少巷道掘进量——缓解接续紧张；
减少掘进队——节约大量掘进费用；
去掉区段煤柱——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混凝土技术的成熟为沿空留巷打下良好基础
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。　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。其中沿空留巷这种无煤柱护巷方式有5种形式。各矿应该根据具体情况选用合适合理的方案。大多数情况下对于条件适合的矿井都应当优先采用留巷形式实施无煤柱开采。
1.3. 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，而采用往复式“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，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、特别是没有掌握矿山压力规律，从根本上扭转巷道维护困难的局面而没有得到推广。
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。
经过几十年的发展，我国一些矿区在沿空留巷方面取得了可喜成绩。一些矿井取得了非常客观的经济效益。
沿空留巷技术正处在一个急速起步的黄金时代。
沿空留巷技术现状
在几十年的研究应用中，该领域的成功与失败并存，我们分析这些经验归结如下：
2.1. 密集支架形式基本不可取
沿空留巷在上世纪研究初期基本上都是以支架形式完成。那时候各种支架形式的应用曾经解决过许多回采工作面的无煤柱采煤问题。但都是应用到一些采面地压相对较小并且煤层赋存条件较好的无自然发火的低瓦斯矿井。而且应用情况也不能令人满意。
这种方式因为支护材料品种多，工作量大，支护效果差，采空区隔离效果差等问题现在很少应用。
2.2. 矸石堆垛方式应该淘汰
矸石堆垛法是一种看似简单经济的做法，但因为该方法不能达到及时有效支撑顶板，容易造成顶板过量下沉导致巷道不利于回采工作。这种方式虽然材料单价低，但会消耗大量的人力，而且隔离效果很差，因此适应面很小。一些好的方法的出现会加速这一方法的淘汰。
2.3. 砌体墙法存在缺陷
采用预制块砌墙可以克服上述2.1和2.2节所述密集柱和矸石堆垛的许多缺陷，能够基本形成一道隔离采空区的密闭墙体。但该方法还是不能解决墙体与顶板的接顶问题，往往会造成顶板过量离层使得支护效果不佳。应该在此基础上进行改进。2.4. 高水材料巷旁充填沿空留巷是目前主流的留巷方式　随工作面在采空区所在一侧构筑巷帮充填体形成巷帮支护带。高水材料可以通过调节水灰比改变充填体抗压强度可以满足多种强度要求的工程需要，可以提供较大的初期支护阻力、增阻速度快，能够适应顶板的下沉并保证巷道较好的维护效果，而且具有很高的机械化程度，构筑的巷旁充填体具有良好的密闭性能、隔绝采空区效果较好；该材料制作的浆液单独存放24h不凝固，易于远距离输送，非常适合进行大规模沿空留巷。
2.5. 现浇混凝土隔墙法实践证明较好
经过近几年实践证明，混凝土墙体虽然有价材料用量大。但该方法适应性广，承载力高，能够形成足够的切顶强度，安全可靠。现在已经被广泛接受。
混凝土墙的缺点在于其比较高的工程费用和施工的复杂性以及强度上升的速度不能适应高产高效矿井工作面。还有一些施工方法不能保证墙体及时紧密贴顶。这种技术方案的施工方法主要有：2.5.1. 大型自移式沿空留巷充填支架该支架大大提高了沿空留巷的安全性，其结构复杂，支架独立性、灵活性强、适应性以及安全性强，使用效果好。
缺陷：混凝土结构施工完成后不能紧贴顶板，导致顶板离层，增加了留巷维护费用。2.5.2. 桶柱方式巷帮支护法桶柱间距为1.4一1.8米，桶柱施工数量少，降低了工作量，施工速度快，减少了对工作面生产的影响，保障了工作面的正常推进，桶柱内混凝土的标号到300#，其试件抗压极限强度为30Mpa“，直径为600一660mm的混凝土桶柱的最大支撑力可以达到976OkN。但封闭采空区不方便。效果比整体混凝土墙体差。2.5.3. 膏体混凝土膏体混凝土,其主要成分是硅酸盐水泥、砂、粉煤灰及膏体混凝土外加添加剂。凝固速度快、早强的特制充填体,其最大强度能达到2 MPa。充填体宽2.5 m,高3.4 m。
这种方法的优点是膏体状便于施工。缺点是强度和采矿关系的不协调性，导致材料用量大很多。2.5.4. 柔模支护技术柔模支护技术由西安科技大学王晓利教授研发而成。成功应用于10余矿，目前正在推广应用。将此技术应用到煤矿井下作为充填墙体是煤矿技术的进步。柔模泵注混凝土沿空留巷支护技术通过省级科技成果鉴定，达到国际领先水平，并享有多项发明专利。这一技术的应用使得现浇混凝土技术在沿空留巷的施工工艺得到简化。
2.6. 现浇混凝土隔墙技术评价
在过去的沿空留巷实施中，失败比成功多。因此对沿空留巷技术产生了副作用，大多数人失去信心。通过近几年的研究终于使人们认识到过去沿空留巷的失误多是因为隔离墙的强度和支护接顶问题造成的。近几年现浇混凝土技术隔墙的应用给沿空留巷技术带来了新的生机。混凝土的先天的优势能够满足工程需要。
虽然混凝土是目前理想的隔墙方法，但还是有一些不足。
目前混凝土施工中的主要缺陷是：
l 使用钢模板的各种支架或模板都存在模板漏浆，影响施工质量；
l 钢模板很难解决墙体接顶问题，容易造成顶板与墙体之间形成不均匀空缝，容易造成顶板过量下沉导致支护效果大打折扣；
l 现浇混凝土强度需要28天的最终强度，任何添加剂也只能保证先期强度的上升。并不能保证任何情况下完全满足回采动压的需要，因此，只能靠加大混凝土墙体尺寸解决，造成混凝土的浪费；
2.7. 封闭注浆砌筑技术
矸石充填虽然支护效果差，但具方便简单廉价特征；换句话说，只要能够克服矸石充填法的支护贴顶初撑力问题，就会形成一种廉价高效的沿空留巷技术方法。
砌体结构虽然材料用量大，运输施工都有不便，但具有较大变形情况下的较高初撑抵抗能力。换句话说，只要能够提高砌体结构的初撑能力，这种具有初撑能力的砌体结构将会比现浇混凝土更优秀。
由西安科技大学惠兴田发明的封闭模铸砌体混凝土技术就是为了克服上述两种方法的缺陷产生的一种全新的隔离墙结构。
封闭注浆指的是将砌体干砌成到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构，然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构。因此，这样的砌体施工技术具有几个显著优点：
预制砌块能够保证最佳混凝土效果，比现场泵注的自密实混凝土墙提高20%；
砌体预制混凝土块对顶板提高及时强大的被动初撑力，可以减少墙体厚度15%，保证沿空留巷的安全性；
注浆砌缝在3-7天内能够提供一定的让压特性释放切顶时候的矿压峰值；
施工快速，效果直观，可靠性是目前所有形式中最好的
沿空留巷技术分析
沿空矿压特点
实际上矿压的演化在采空区侧煤体内是一个随时间和距离变化的函数。
沿空巷道是处在采面后侧。位于采矿区后侧的煤体内矿压是空间和时间的函数。
从纵向空间的观察来看，工作面后侧煤体顺沿空巷道向后煤体中矿压的变化是距离的函数。从以往的研究成果看，采面后侧15-30米是矿压急剧上升区域。
从横向观察来看，采空区外侧煤体矿压分布是采空区外侧煤体内矿压表现
沿空侧煤体在采面刚过后的矿压表现 以时间的观点来看，煤体中的每一点要经受超前压力、采动矿压和采面过后又一次老空垮落矿压。
沿空巷道矿压分析
作为沿空留巷的最为关键的是研究支撑隔离带上部顶板的矿压特征，以确定合理的支护形式和支护强度。研究留巷顶板的矿压特征以确定合理的顺槽初期支护方案和支护参数。
沿空巷道顶部要经受矿压分布，掘进动压，回采超前动压外，更严重的是要经受回采后侧矿压的又一次剧变动压后保持稳定性。一般顺槽在经受回采动压后就遭到严重破坏，在采空区后侧采空区垮落形成的剧烈矿压过程中彻底崩溃形成垮落。
3.3. 沿空巷道顶部矿压特征
沿空隔离墙体上部顶板矿压力学表现是我们设计隔离墙的基础。3.3.1. 顶板宏观表现煤层开采后采空顶板的活动跟支护状况有关。采面过后支撑顶板会使顶板岩层折断。这一过程决定于支护方式和支护强度。
由于沿空巷道一般要经过4次矿压显现。沿空巷道的围岩变化是非常复杂的。顶板离层和老顶折断理论可以方便的说明沿空巷道后支撑墙体结构和强度对巷道稳定性的影响。
用什么支撑？我们一直不慷慨！是不是不掏钱能够实现？
不同支撑强度使得顶板形成不同形式的垮落3.3.2. 顶部微观表现掘进期间稳定平衡微量离层回采超前动压影响 掘进支护图 4?7 回采巷道生命周期采面采面采面3.3.3. 顶板力学表现静力平衡过程：
在掘进过程中，刚暴露的顶板会具有向巷道内部移动变形的趋势，这时候顶板还是处于原岩状态，内部没有明显的裂隙和层理离层。
在经历数小时后，顶板开始产生较大位移，顶部岩层离层开始产生明显裂隙，这种微小的离层裂隙是一般支护都无法阻止的。
掘进过程中这种岩体位移的新的平衡一般需要数天到数月甚至更长的时间。一般岩体能够在一个星期达到一个相对平衡。
回采动态平衡
回采期间超前动压，周期来压，支架动压，后巷动压平衡。
在动压平衡的几个阶段中，每一个过程都是对支护体系的一次考验。
图 4?8 沿空巷道生命周期全过程 回采过程动压影响采面 掘进期间稳定平衡微量离层 回采超前动压影响 掘进支护采面采面采面 支架动压影响后支撑 后采空动压后支撑
材料力学特征
图 4?8 几种不同性质材料力学特性
岩石抗压岩石抗拉钢材抗压抗拉235-540Mpa10-60Mpa0.2-1Mpa 图 4?10 同一个坐标系的岩石和钢材特性
上述图 3?9 同一个坐标系的岩石和钢材特性给我们揭示了：
l 钢材的强度能够对岩体加固的原因是其高强度；
l 钢材必须和岩土变形一致才能够起作用，而且作用很小；
l 只有高预应力钢材才能够很好的对岩体起到加固作用；
l 沿空后巷砌墙必须紧贴巷道顶板才能有效支护巷道
3.4. 沿空留巷支护对策
图 4?11 沿空巷道支撑强度影响 支架动压影响后支撑 后采空动压后支撑 后采空动压高强支撑
上述沿空矿压特点，沿空巷道矿压分析，沿空顶部矿压特征全面分析了沿空巷道相关工程和力学问题。根据分析结果提升如下原则：
l 顺槽掘进过程支护必须及时——减少顶板暴露时间
l 支护必须施加足够的预应力——减少顶板离层
l 顶板应该使用强力钢带——以增加横向约束力和群锚效应
l 沿空巷道后支护结构必须足够强大——以抵抗巷道后期2次动压
l 沿空巷道后支撑结构应该有贴顶能力——以形成强力对抗支护减少顶板过量下沉
l 沿空巷道后支护可以采用注浆技术加固顶板——以提高顶板完整性
对沿空留巷支护对策的总结可以一句话：
l 一语道破天机，强度决定留巷！
5. 封闭模铸砌体混凝土沿空留巷隔离墙新专利简介现浇混凝土隔离墙是现有技术中适应性最广，应用最可靠的方法。但其施工中还有不足。分析如下：　刚性模板现浇混凝土不能很好的解决墙体贴顶问题。为解决此问题，中国矿业大学在2007年和西安科技大学在2009年曾经发明了不同形式的柔性袋装泵送混凝土施工技术给沿空留巷带来新的生机。
各种现浇混凝土不能解决采动矿压的及时支撑问题。比如，一些工作面回采速度达到每日5-10m，需要墙体能够在3-5天达到最大承载力。这不符合混凝土的强度上升规律。
由上分析可知：这种袋注自密实混凝土与一般刚性模板混凝土技术比起来具有优势，已经在现场应用取得巨大成功。但这一技术其混凝土初期的抗压强度的不足、自密实的强度损失缺陷以及柔性模板强度等问题还需要进一步的技术创新。
分析了国内外沿空留巷技术和实践的发展现状，研究了目前沿空留巷隔离墙带支护技术方法和实践。经过几十年的研究我们认识到传统的几种方法失败的原因是隔离结构的强度与实际需要相差太远。沿空隔墙需要足够强度承载采空区边缘的切顶压力。传统的支架支柱，预制水泥砌块和矸石被动充填不能很好的实现支护效果，不能满足控顶和密封的需要。其原因都是因为没有足够的支护强度以至于使采空侧产生切顶。现浇混凝土技术方案能够在采矿条件允许情况下（回采速度适合）能最大限度的满地强度的要求，只有支护施工工艺合理就能够及时切顶。在近几年的实践中混凝土被认为是当今最为理想的方案。　因此，沿空留巷的关键技术是：
高强度，墙外切顶。保证顶板完整性的同时让压力向深部转移。
严密封，稍微让压。保证墙体完整性的同时严格密封采空区。
施工工艺简单可靠。
4.1. 封闭注浆砌筑技术方案
封闭注浆砌筑技术是为了克服袋注混凝土早期强度低、成本高施工效率低而开发的
矸石充填虽然支护效果差，但具方便简单廉价特征；换句话说，只要能够克服矸石充填法的支护贴顶初撑力问题，就会形成一种廉价高效的沿空留巷技术方法。
砌体结构虽然材料用量大，运输施工都有不便，但具有较大变形情况下的较高初撑抵抗能力。换句话说，只要能够提高砌体结构的初撑能力，这种具有初撑能力的砌体结构将会比现浇混凝土更优秀。
封闭注浆指的是将砌体干砌成到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构，然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构。因此，这样的砌体施工技术具有：
预制砌块能够保证最佳混凝土效果，比现场泵注的自密实混凝土墙的提高20%；
砌体预制混凝土块对顶板提高及时强大的被动初撑力，可以减少墙体厚度15%，保证沿空留巷的安全性；
注浆砌缝在3-7天内能够提供一定的让压特性释放切顶时候的矿压峰值；
施工快速，效果直观，可靠性是目前所有形式中最好的　封闭模铸专利技术中，封闭模铸砌体技术具有施工方便简单，成本的，支护强度高，密闭性好，设备投资小等优点。因此，在王斜矿实施沿空留巷选择封闭模铸砌体技术。
沿空留巷技术能否实现的关键就决定于砌墙技术的完善性。
在研究了国内外沿空留巷技术和目前国内使用效果最好的混凝土隔墙技术的基础上。西安科技大学惠兴田教授科研团队2009年至2010年发明了滑模泵铸混凝土、复合模铸隔墙和封闭模铸砌体沿空留巷隔墙技术3项专利。特别推荐的模铸砌体结构因为技术思路简洁直观，施工工艺简化，投资小，容易上马是现代沿空留巷隔墙技术上的大的创举。4.2. 封闭模铸砌体技术特点利用预制混凝土工艺质量稳定可靠强度高的优点，以砌块作为墙体硬质内核以便形成高强内核支撑动压和顶板突变；保证沿空留巷的安全性。
利用纤维可变弹性的优点作为复合模板的内胎模以适应围岩不规则多变性以保证墙体贴顶密封；确保切顶发生在远离煤壁外。
利用注浆工艺简单充填致密的优点，作为封闭充填以达到密闭；
利用刚性外模板作为墙体接顶成型保证工程质量。
注浆砌缝在3-7天内能够提供一定的让压特性释放切顶时候的矿压峰值；4.3. 封闭模铸砌体沿空留巷隔墙优点封闭模铸砌体沿空留巷隔墙施工工艺克服了现有现浇混凝土技术的几个缺陷：
硬质内核克服先期强度不足的严重缺陷，减少混凝土用量15-30%；
具有内胎模的刚柔复合模板克服了各种刚性模板的漏浆和接顶不实的缺陷；
硬质内核砌体注浆技术克服了泵送混凝土易堵管的难题；
复合模板技术可以减少柔性模板消耗，使模板成本降低30%。
干砌工艺使得机械装备减少80%；速度提升50%；成本减少30%
施工工艺相当简单。施工快速，效果直观，可靠性是目前所有形式中最好的
任何矿都很容易上马。起点很低，很小的投入就能够开始。4.4.封闭模铸砌体工程特点l 砌块预制可以最大限度发挥水泥的强度作用，在同样用料的情况下强度可以提升50-200%；混凝土质量可靠；
l 以砌块为核心的硬质软包裹墙体能够及时释放和承受任何不可预测的回采动压作用。这种“释放和承受”同时并存的特征是现阶段任何沿空留巷隔墙所不具备的优良特性。
l 注浆结构能够保证墙体内任何细小的缝隙都充满浆液，更主要的是能够保证有足够的注浆压力使得模铸砌体对顶板和相邻墙体施加一定的结合力。能够绝对保证墙体的密封性。保证不会泄露任何有害气体和老空水。
l 模铸砌体结构沿空留巷隔墙设备只要一套注浆泵就能够实施，材料不需要一般井下泵送混凝土的复杂制作和二次装袋等手续，是目前沿空留巷混凝土隔墙技术中设备最少，施工工艺最简单的技术，很容易被任何矿接受。
以上技术资料来自西安科技大学惠兴田教授的研究报告。如有问题可与他本人联系。