研究現(xiàn)狀

　　無煤柱開采符合綠色開采理念，通過合理部署和布置取消護巷煤柱，具有減少掘進量、提高資源回收率、降低災害風險和改善通風等優(yōu)勢。國外研究近百年，我國也有 70 年左右研究歷程，成果廣泛應用。無煤柱開采形式分為跨巷無煤柱開采、回采巷道無煤柱護巷開采、采空區(qū)維護巷道無煤柱開采，其中沿空留巷與沿空掘巷應用較廣。

　　無煤柱開采圍巖控制原則是取消煤柱改善應力環(huán)境，結合支護與卸壓確保巷道經(jīng)受采動影響滿足安全生產(chǎn)。跨巷無煤柱開采將巷道布置在采空區(qū)下方應力降低區(qū)，回采巷道無煤柱護巷開采布置在采空區(qū)側，分為沿空掘巷、沿空留巷及留掘復合。

　　沿空掘巷有完全沿空掘巷、小煤柱沿空掘巷、巷旁充填沿空掘巷。小煤柱沿空掘巷應用廣泛，但關鍵在于確定合理煤柱寬度，且需在采空區(qū)穩(wěn)定后掘巷。巷旁充填沿空掘巷技術用充填墻代替小煤柱隔離采空區(qū)，該技術已在多種煤層條件下應用。

　　沿空留巷圍巖變形破壞有維護時間長、采動影響強烈、圍巖變形大等特點。其圍巖控制技術包括支護與卸壓，支護又分巷內(nèi)基本支護、巷內(nèi)加強支護及巷旁支護。早期部分礦井可不設巷旁墻體，現(xiàn)在一般應設置整體性、密封性高的充填體，地質(zhì)條件簡單時可用柱代墻。當沿空留巷上方有堅硬巖層形成懸頂時，卸壓(如采用水力壓裂法和爆破法)可改善應力環(huán)境。我國沿空留巷技術在多種復雜條件下得到推廣，但部分復雜礦井仍存在留巷變形嚴重等問題。

　　存在問題

　　無煤柱開采圍巖控制是系統(tǒng)工程，涉及多個環(huán)節(jié)，部分礦井存在掘巷困難等諸多問題影響安全生產(chǎn)。

　　總體規(guī)劃不足：無煤柱開采需提前謀劃開拓部署等，將巷道布置在應力降低區(qū)，考慮礦井產(chǎn)量等實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。對特定礦井應提前采取相應措施，如弱化頂板區(qū)域、治理沖擊地壓。

　　沿空掘巷問題：沿空掘巷圍巖結構研究不清，小煤柱尺寸設計等方面需優(yōu)化。不合理的小煤柱寬度會導致煤柱破碎或巷道處于應力集中區(qū)，部分礦井掘巷時間不當、支護效果不理想。

　　沿空留巷應力與結構研究欠缺：沿空留巷圍巖應力、結構演化規(guī)律研究不夠，特別是復雜條件下。圍巖控制技術未統(tǒng)籌考慮巷道斷面與支護需求，支護在空間和時間布置上存在問題。

　　支護匹配性差：沿空留巷各類支護之間及與圍巖在強度、剛度和變形能力等方面匹配性不高，不能充分發(fā)揮支護作用，支護體與圍巖也存在匹配問題。

　　巷旁支護阻力估算不可靠：有巷旁充填墻體的沿空留巷，其成功關鍵在于墻體穩(wěn)定，但目前支護阻力估算公式多種，且估算值與實際相差較大。

　　巷旁充填材料成本高：機械化程度較高的巷旁泵充材料如混凝土和高水材料，為保證墻體穩(wěn)定性和隔離作用，充填墻體需一定寬度，導致留巷成本高。

　　卸壓機理及協(xié)同作用不清晰：巷道圍巖卸壓機理研究不深入，支護與卸壓協(xié)同作用原理不明，卸壓條件和效果界定不清，卸壓參數(shù)設計未實現(xiàn)定量化。

　　施工工藝與推進速度矛盾：工作面快速推進與沿空留巷繁瑣施工工藝存在矛盾，工序交叉多，配合不好會影響推進速度和產(chǎn)量。

　　監(jiān)測與預警系統(tǒng)不完善：礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)存在接口和數(shù)據(jù)不統(tǒng)一問題，沿空留巷的漏風、有害氣體等監(jiān)測數(shù)據(jù)分散，無法及時融合分析和實時預警。

　　施工自動化、智能化水平低：沿空留巷施工關鍵設備自動化、智能化程度低，人工操作多，勞動強度大、效率低。

　　發(fā)展方向

　　針對存在的問題，提出無煤柱開采圍巖控制理念：總體規(guī)劃、超前布局、支卸協(xié)同;設計定量化、數(shù)智化;工藝流程化、標準化;材料系列化、綠色化;裝備自動化、智能化;監(jiān)測融合化、實時化。

　　圍巖控制理念：無煤柱開采圍巖控制需總體規(guī)劃礦井相關部署，超前布局頂板弱化和巷道卸壓，考慮掘巷與留巷及支護關系。明確卸壓技術適用條件、機理和協(xié)同作用原理，豐富組合方式和應用場景。

　　圍巖控制設計：深入研究圍巖應力與結構演化規(guī)律，揭示支護和卸壓協(xié)同作用機理，建立合理力學模型，提出準確控制參數(shù)計算公式，實現(xiàn)定量化設計。收集分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，提出數(shù)智化設計方法。

　　圍巖控制工藝：研究合理掘進模式，優(yōu)化掘進與支護工藝，實現(xiàn)掘支平行作業(yè)。簡化沿空留巷工藝，實現(xiàn)流程化、標準化，提高留巷速度。

　　圍巖控制材料：研發(fā)系列化控制材料，包括適合圍巖大變形的錨桿錨索、高性能綠色巷旁充填材料、新型注漿和噴涂材料，解決圍巖加固和巷旁支護密封難題。

　　圍巖控制裝備：開發(fā)智能快速掘進與支護裝備，提高沿空掘巷速度和效率。開發(fā)系列化自動化、智能化留巷設備，實現(xiàn)沿空留巷自動化、智能化、少人化施工。

　　監(jiān)測與安全保障：解決煤礦多源異構數(shù)據(jù)融合問題，開發(fā)監(jiān)測平臺和無煤柱開采多模態(tài)大模型，保障圍巖控制效果和安全。

　　結論

　　無煤柱開采圍巖控制應遵循 “總體規(guī)劃、超前布局、支卸組合” 理念，發(fā)展新理論、方法，研發(fā)新工藝、材料、裝備，實現(xiàn)數(shù)字化、自動化、智能化。提高技術與裝備適用性和成套性，拓展應用場景，為煤礦安全、高效、高回收率開采提供技術保障。

康紅普;王東攀;劉躍東,中煤科工開采研究院有限公司;天地科技股份有限公司;煤炭智能開采與巖層控制全國重點實驗室;中煤科工 (西安) 開采工程技術有限公司,202501