深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术.pdf

第 2 9卷 2 01 0钲 第 1 0 期 1 O月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V b 1 ．2 9 No ． 1 0 Dc r ． ， 2 01 O 深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术 康红普 ，牛多龙 ，张镇 ，林健 ，李志红 ，范明建 f 1 ．煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 ；2 ． 淮南矿业集团有限责任公司 谢家集第一煤矿，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要以淮南谢家集第一煤矿深部沿空留巷为工程背景，采用数值模拟分析巷道围岩变形与应力分布特征。详细 介绍深部沿空留巷井 下试验 ，包括巷 内基本支护 、加强支护 与巷 旁支护 设计，从巷 道掘进 、留巷 ，一直 到留巷 复 用各阶段的矿压监测数据。通过围岩、充填体位移与锚杆、锚索受力数据分析，评价支护效果。井下实践表明 采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护，单体支柱配铰接顶梁为加强支护，及膏体充填巷旁支护，能 够有效控制深部沿空留巷围岩的强烈变形，保持留巷稳定。基于数值模拟与井下试验研究成果，分析巷内基本支 护、加强支护与巷旁支护的相互关系，指出深部沿空留巷在项板断裂位置、基本顶回转及围岩长期蠕变等方面与 浅部留巷有很大区别，并提出深部沿空留巷支护设计原则。针对井下试验中存在的问题，提出改进意见。 关键词采矿工程；煤矿巷道；沿空留巷；深部矿井；数值模拟；井下试验；支护原则 中图分类号T D 3 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 0 1 0 1 9 7 71 1 DE ATI oN CHARACTERI S TI C S oF S URRoUNDI NG RoCK AND SUPPoRTI NG TECHNoLoGY oF GoB． S I DE ENTRY RETAI NI NG I N DEEP CoAL M I NE K A NG Ho n g p u ，NI U Du o l o n g ，Z H ANG Z h e n ，L I N J i a n ，L I Z h i h o n g ，F A N Mi n g j i a n n． C o a l Mi n i n ga n d De s ig nB r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． F i | C o Mi n e o f X i e j i a j i ， Hu a i n a n Mi n i n gI n d u s t r yGr o u p Co ． ，Lt d ． ， Hu a i n a n ， A n h u i 2 3 2 0 0 1 ， Ch i n a 1 Abs t r ac t De f o r ma t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f s u r r ou n d i ng r o c k a n d s t r e s s d i s t r i bu t i o n o f d e e p g o b 。 s i d e e n t r y r e t a i n i n g， w h i c h wa s l o c a t e d i n t h e fi r s t c o a l mi n e o f Xi i ，t h e H u a i n a n c o a l mi n i n g a r e a ，we r e a n a l y z e d b y me a n s o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n ．Th e un d e r g r o u n d t e s t f o r t he de e p g o b- s i d e e n t r y r e t a i ni n g wa s i n t r o d uc e d i n d e t a i l ， i n c l u d i ng t h e de s i g n s fo r p r i ma r y s u p p o r t i n g i n t h e e n t r y， a d di t i o na l e nh a nc e d s u pp o r t i n g， a nd s u pp o rti ng be s i d e t h e e n t ry ，a nd t he mo n i t o r i ng d a t a d u r i ng va r i o u s s t a g e s f r o m d r i vi ng，r e t a i n i n g t o r e u s i n g． Th e s u p p o rti n g e ffe c t s we r e e v a l u a t e d t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e d a t a o f s u rro u n d i n g r o c k a n d b a c k fil l i n g b o d y d i s p l a c e me n t s a n d t h e l o a d s a l o n g b o l t s a nd c a b l e s ．Th e u n d e r g r o u nd p r a c t i c e p o i n t s o ut t ha t t he s e v e r e s u r r o u nd i n g r o c k d e f o r ma t i o n i n t h e d e e p g o b s i d e e n t r y r e t a i n i n g c a n b e e ff e c t i v e l y c o n t r o l l e d ； a n d i t s s t a b i l i t y c a n b e k e p t b y me a n s o f t h e s y n t h e t i c s u p p o r t i n g s y s t e m，wh i c h c o n s i s t s o f t h e h i g h p r e t e n s i o n a n d i n t e n s i v e b o l t s a n d c a b l e s a s t h e p r i ma ry s u p p o r t i n g i n t h e e n t r y，i n d i v i d u a l p r o p s wi t h a r t i c u l a t e d r o o f b e a m a s t h e e n h a n c e d s u p p o r t i n g ， a n d p a s t e b a c kfil l i ng a s s u p p o r t i n g be s i d e t h e e n t ry．On t he ba s i s of t he r e s e a r c h a c hi e ve me n t s o b t a i ne d fro m n ume r i c a l s i mu l a t i o n a n d fie l d t e s t ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e p r i ma ry s u p p o r t i n g i n t h e e n t ry ，a d d i t i o n a l e n h a n c e d s u p p o rti n g a n d s u p p o rt i n g b e s i d e t h e e n t ry we r e d i s c u s s e dt h e g r e a t d i ff e r e n c e s b e t we e n d e e p a n d s h a l l o w e n t r i e s o n t h e b r e a k i n g p o s i t i o n o f ma i n r o o f ， i t s r o t a t i o n， a n d l o n g t e r m c r e e p o f s u rro u n d i n g r o c k we r e i n d i c a t e d ； a n d t h e s u p p o rti n g d e s i g n c r i t e r i a for t he d e e p g o b s i d e e n t ry r e t a i ni ng we r e pu t f o r wa r d．Th e i mp r o v e m e n t s ug g e s t i o ns 收稿 日期2 0 1 0 0 51 2 ；修回 日期l 2 0 1 0 0 6 0 7 基金项目国家高新技术研究发展计划 8 6 3 项 目 2 0 0 8 A A0 6 2 1 0 2 作者筒介l康红普 1 9 6 5一 ，男，博士，1 9 8 5年毕业于山西矿业学院采矿工程系采矿工程专业，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学与巷道 支护技术方面的教学与研究工作。E m a i l k a n g h p 1 6 3 ． c o rn 1 9 7 8 岩石力学与工程学报 we r e a l s o ma d e i n a c c o r d a n c e wi t h t h e e x i s t i n g p r o b l e ms i n u n d e r g r o u n d t e s t ． K e y wo r ds mi ni n g e ng i n e e r i n g；c o a l mi n e r o a d wa y；g o b s i d e e n t r y r e t a i ni ng；d e e p m i n en ume r i c a l s i mu l a t i o n u n d e r g r o u n d t e s t ； s u p p o r t i n g c r i t e r i a 1 引 言 回采工作面沿空留巷布置有以下 明显优势实 现无煤柱开采 ，提高煤炭资源回收率；少掘巷道， 降低矿井掘进率；回采工作面实现 Y型通风系统， 有利于解决瓦斯问题；消除煤柱护巷时煤柱下方应 力集中对下部煤层开采与巷道支护的不利影响，使 巷道长期处于应力降低区。但是，沿空留巷要经历 本回采工作面采前、采后及下一个工作面的强烈采 动影响，特别是本工作面回采后 ，巷道处于 2种不 同介质中，顶板会发生强烈沉 降，导致巷道变形和 破坏范围显著增大。同时，沿空留巷必须进行巷旁 支护 。 我国煤矿开采深度逐年增加，瓦斯涌出量也越 来越大，特别是在深部高瓦斯 、低透气性煤与瓦斯 突出煤层中开采时，大量瓦斯涌出和积聚 已成为矿 井安全生产和提高开采效率的极大障碍，而采用沿 空留巷技术实现 Y型通风是解决这一难题的有效途 径l J j ，并可实现工作面往复式开采，消除孤岛工 作面，提高煤炭资源回收率。 深部沿空留巷与浅部沿空留巷围岩变形有很大 区别 。深部煤岩体处于高地应力、高地温、高岩溶 水压的环境 中，而且要经受多次强烈的采动影响。 高原岩应力与采动应力叠加，导致 围岩变形的扩容 性、流变性与冲击性突 出。不仅沿空留巷顶板变形 强烈，而且煤帮挤 出和底臌严重，这是深部沿空留 巷最显著的特点。 沿空留巷涉及 的主要研究内容包括沿空留巷 围岩活动规律，围岩与支护相互作用关系，巷 内支 护、加强支护及巷旁支护等。围绕这些 内容，多年 来国内外的学者已经进行了大量研究工作l j J 。我 国已基本掌握了简单条件下薄及中厚煤层沿空留巷 矿压显现规律，甚至在综采放顶煤工作面也得到应 用。但在深部矿井的研究与应用还 比较少 。目前沿 空留巷研究主要集中在以下几点 1 沿空留巷 围岩活动规律及支护围岩作 用关系研究。孙恒虎和赵炳利【 】 将沿空留巷顶板简 化成层间结合力忽略不计的矩形 “ 叠加层板”结构， 根据弹塑性力学的有关理论提出了顶板载荷的条带 分割法；李化敏 J 根据沿空 留巷顶板运动特点 ，分 为前期活动、过渡期活动和后期活动 3个阶段，并 给出了相应的支护阻力计算公式。漆泰岳等【 6 ’ 7 J 也 从不同的角度建立了顶板运动的力学模型 。针对厚 煤层综采放顶煤工作面沿空留巷，也进行了研究与 试验 。张东升等L 8 J 采用相似材料模拟和数值模拟 方法对沿空留巷老顶破断位置与形状、不 同支护方 式对顶板活动的影响以及巷旁充填技术参数的确定 进行了分析；谢文兵【 l U J 对围岩位移特 点、煤帮与充 填体应力演化特征进行 了研究。黄艳利等I l 】 根据 井下矿压监测数据，对沿空留巷围岩与充填体的分 阶段变形特征进行 了分析。 2 巷旁支护技术 。巷旁支护是沿空留巷的关 键技术，经历了木垛、密集支柱、矸石带、混凝土 砌块等人工构筑 的传统低强度支护方式 】 ，发展 到 目前的高水材料和膏体材料机械充填高强度支护 方式I 1 乃 J 。随着高强度锚杆与锚索支护技术的快速 发展，华心祝等【 l 5 l 又研究与试验 了巷旁采用锚索 加强支护，配合密集支柱的沿空留巷巷旁支护方式， 取得较好效果。 3 巷 内支护技术 。巷 内支护包括基本支护与 加强支护 。基本支护形式主要有工字钢支架、U型 钢可缩性支架、锚杆与锚索支护及联合支护等 。目 前，锚杆与锚索支护在沿空留巷巷内支护中得到广 泛应用【 】 。但是在深部与复杂困难条件下，普通的 高强度锚杆与锚索支护也难以有效控制围岩强烈变 形，保持巷道的稳定 。为此，煤炭科学研究总院开 采设计研究分院开发出高预应力、强力锚杆与锚索 支护系统，并在 多个矿区得到推广应用 ，取得良好 支护效果l 1 J 。 高预应力、强力锚杆与锚索为沿空 留巷巷内支护与巷旁锚索加强支护提供 了首选的、 有效的手段。加强支护主要有单体支柱及专门设计 的液压 支架 。 本文针对深部沿空留巷出现的问题 ，采用数值 模拟对深部沿空留巷 围岩的变形规律和控制技术进 行研究，在淮南谢家集第一煤矿 以下简称谢一矿 进行井下试验与应用 ，并提出深部沿空留巷的支护 原则与建议。 2 深部沿空留巷的数值模拟分析 沿空 留巷受到 回采工作面 引起的顶板剧烈运 第 2 9卷第 1 0期 康红普，等．深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术 1 9 7 9 动，同时由于巷旁支护体的支护作用 ，其围岩变形 有着独特的特点。沿 5空留巷围岩结构如图 1 所示。 基本顶断裂线 图 1 沿空 留巷 围岩结构 F i g ． 1 S c t u r e o f s u r r o u n d in g r o c k o f g o b s i d e e n t r y r e t a i n i n g 沿空留巷围岩位移与普通巷道相 比，其最大的 特点是与基本顶岩层回转运动密切相关。沿空留巷 顶板位移主要由煤帮侧下沉量，基本顶岩层回转引 起的下沉量及项板岩层扩容变形量组成。因此 ，基 本顶断裂位置、煤帮支护方式与参数 、顶板支护形 式与参数、巷内加强支护方式及巷旁支护形式、参 数与力学性能 如充填体尺寸、充填方式、充填体强 度等 ，对沿空留巷围岩变形都有直接影响。 为全面、系统了解沿空留巷 围岩变形与应力分 布特征 ，采用有限差分数值计算软件 F L A C Ⅲ进行 了模拟分析。 2 ． 1 模型建立 模拟巷道为淮南谢一矿 5 1 2 1 B1 0工作面回风 巷。该工作面煤层厚度平均 I ． 4IT I ，倾角 2 2 。 。巷道 埋深为 7 0 0 I n左右，断面为倒梯形，中间高度 2 ． 8 r n ， 宽度 5 1 3 71 。煤层顶底板岩层物理力学参数见表 1 。 表 1 煤层顶底板岩层物理力学参数 T a b l e 1 P h y s i c o me c h a n i c a l p a r a me t e r s o f c o a l r o o f a n d fl o o r 模型初始地应力采用井下实钡 0 数据 。采用水压 致裂法在该工作面附近进行了原岩应力测量 ，测量 结果为最大水平主应力 1 6 ． 9 MW a ，方向N4 6 ． 2 。 W， 最小水平主应力 8 ． 9 MP a ，垂直主应力 2 0 ． 1 MP a 。 根据回风巷顶底板岩层分布状况，将模型共分 为 1 0层，划分 3 4 4 1 0 0个单元，模型尺寸为 2 0 0 m 1 0 0 m1 4 2 ． 7 mf 长 宽 高 。根据对称性原则，工 作面开采宽度设定为 1 0 0 m，巷旁充填体采用高强 度膏体充填材料，其 7 d抗压强度为 1 5 MP a ，充填 体宽高比设为 1 ，紧随工作面开采充填。模型中岩 层、煤层与充填体均采用莫尔 一库仑屈服准则。 为 了解深部沿空留巷围岩变形规律，在开切眼 前方巷道 2 0 1T I 处设置监测点，监测整个留巷过程中 围岩变形及受力变化。为使模型接近井下实际回采 情况 ，采用分步开挖 ，每次开挖 2 1T I ，相 当于工作 面推进 2 1 T I 。共开挖 3 0次，模拟工作面回采 6 0 1T I 。 模拟过程 中监测点布置见图 2 。顶板与底板应力监 测点分别位于巷道中心顶板上方、底板下方 0 ． 5 IT I 处， 两侧顶板监测点分别位于巷 内距两帮 0 ． 5 1 T I 、 顶 板上 方 0 ． 5 1T I 处，煤帮应力监测点位于煤帮中部 1 ． 0 m 处 。 图 2 数值模拟监测点布 置图 F i g ． 2 L a y o u t o f mo n i t o r i n g p o i n t s i n n u me r i c a l mo d e l i n g 2 ． 2 巷道围岩变形与应力分布特征分析 巷道 围岩 位移与至 回采工作 面距 离的关 系见 图 3 a 。可见，工作面回采超前影响范围为 0 ～1 5 m， 顶板下沉和底臌量分别为 5 1 ． 1 ，9 0 ． 9 mm，煤帮位移 为 6 2 ． 2 mm 围岩变形主要发生在工作面后方 0 h 2 5 1T I 范围之内。顶板总下沉量达到 1 9 9 ． 3 mm，底 臌量达到 3 9 5 ． 2 mm，煤帮位移量为 2 8 3 ． 0 mlT l ，围 岩变形 以煤帮挤出和底臌为主。 巷道两侧顶板位移 曲线见图 3 b 。超前工作面 巷道两侧顶板下沉较均匀 。工作面后方留巷段两侧 顶板下沉不均匀，采空区侧下沉大 ， 煤帮侧下沉小， 两者相差 2 6 mm，主要是留巷顶板回转变形所致。 1 9 8 0 岩石力学与工程学报 2 5 0 2 0 0 g 1 5 0 l 0 0 5 O O 距工作面距离／ m r a 巷道 围岩 一 4 0 -3 0 -2 0 一l 0 0 1 0 2 0 距工作面距离， m f b 1两侧项板 图 3 沿空留巷位移 曲线 Fi g．3 Di s pl a c e me nt c ur ve s of g o b s i d e e nt r y r e t a i ni ng 沿空留巷顶板垂直应力分布见图 4 a 。工作面 前方 0 ～1 2 m范围为超前应力影响区。随着工作面 推进 ，工作面后方留巷段顶板在直接顶和基本顶来 压而回转变形过程中，应力逐渐升高，工作面后方 3 0 m后垂直应力逐渐稳定。但总的来说，垂直应力 不大 。 沿空留巷顶、底板水平应力分布见图 4 b 1 。水 平应力明显大于垂直应力，主要是由于回采过程中 采空区顶板回转对顶底板产生 的附加水平推力所 致。底板水平应力在工作面前方 1 5 m到工作面后方 6 m 处逐渐降低，之后逐渐增加 ，工作面后方影响 。R 脚 距工作面距离／ m a 1 顶板垂直应力 翻 苗 距工作面距离／ m b 1顶、底板水平虚力 图 4 沿空留巷应力分布 F i g ． 4 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f g o b s i d e e n t r y r e t a i n i n g 范围为 6 ～3 2 m；顶板水平应力的超前影响范围为 0 ～1 0 m，工作面后方影响范围与底板水平应力一 致，但工作面后方 2 2 m后，即大约一个来压步距 后 ，顶板水平应力开始小于底板水平应力。 煤帮垂直应力在距工作面 1 2 m 时开始逐渐增 加，直到工作面推过 2 0 m 后逐渐稳定并有所降低。 在整个过程中，煤帮不断受到超前支承压力和采空 区顶板回转引起的侧向支承压力的影响，应力较大。 巷道两侧煤帮与巷旁充填体是应力升高区，说明充 填体与煤帮均有效支护 了顶板。 3 深部沿空留巷支护井下试验 沿空留巷井下试验选择在淮南谢一矿 5 1 2 1 B1 0 工作面回风巷 ，巷道地质与生产条件如节 2所述。 沿空留巷的实施可分为巷道掘进与支护、工作面回 采时加强支护与工作面后方巷旁支护 3 个阶段。 3 ． 1沿空留巷支护设计 巷道支护分为巷内支护和巷旁支护。巷 内支护 又分为基本支护与加强支护 。 3 ． 1 ． 1巷 内基本支护 1 支护形式 试验巷道为深部高地应力、受强烈采动影响的 沿空留巷，普通锚杆支护难以控制巷道掘进及留巷 期间强烈变形，不能满足生产要求。因此，确定巷 内基本支护采用高预应力、强力锚杆与锚索支护系 统。通过给强力锚杆与锚索施加高预紧力，并使其 有效扩散到围岩中，有效控制围岩中裂隙张开和新 裂纹产生、结构面离层与滑动【 1 ，保持围岩在掘进 与 留巷期间的完整性 。 第 2 9卷第 1 0期 康红普，等． 深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术 1 9 8 1 f 2 支护材 料 根据深部沿空留巷围岩变形与破坏的特点，确 定采用高韧性、高延伸率、强力锚杆与锚索支护材 料。锚杆杆体为 B HR B 5 0 0左旋无纵筋螺纹钢筋， 屈服强度大于 5 0 0 MP a ，拉断强度大于 6 7 0 MP a ， 冲击吸收功达到 3 0 J ，伸长率达到 2 0 ％；锚索为新 型 1 1 9结构高强度预应力钢绞线，拉断荷载达到 6 0 0 k N 直径0 2 2 mm ，伸长率 7 ％。为实现锚杆预应 力的有效扩散，锚杆组合构件采用 w 型钢带。 f 3 支护参数 采用数值模拟进行多方案 比较，结合 已有的经 验，确定锚杆与锚索支护参数。锚杆直径 2 2 mm， 长度 2 ． 4 m，树脂加长锚固，预紧力矩为 5 0 0 N m。 采用 W 型钢带和金属 网护顶。顶板锚杆间排距为 9 0 0 mmx l 0 0 0 mm，帮锚杆间、排距均为 1 0 0 0 mm。 顶板锚索直径 2 mm，长度 6 _ 3 m，每排 2根锚索， 间距 1 ． 8 m， 排距 2 m，预紧力为 3 0 0 k N。巷道锚杆 支护布置如图 5 所示。 下 帮 2 下帮 1 图 5 回风巷锚杆支护 布置 图 单位 mm F i g ． 5 B o l t i n g p a e m f o r t a i l g a t e u n i t ．．ml T 1 上 帮 1 上帮 2 上帮 3 上 帮 4 3 ． 1 ． 2加强支护 对于普通的回采工作面顺槽，当受到工作面超 前支承压力影响后，巷道 围岩变形与破坏范围会显 著增加。为了保持巷道围岩稳定，同时断面能够满 足生产要求 ，应进行超前加强支护。煤矿安全规程 明确规定采煤工作面所有安全 出口与巷道连结处 2 0 m范围内，必须加强支护。目前，加强支护方式 主要有2 种单体支柱配顶梁；专门设计的超前支护 液压支 架 。 对于沿空留巷，不仅受到工作面超前支承压力 的影响，更主要的是工作面采过 以后，一侧煤帮不 复存在 ，采动影响更加剧烈，而巷旁充填体 的设置 并达到所需的强度需要一定的空间与时间。在这个 空间与时段内，必须设置高阻力的加强支护 ，阻止 顶板下沉，控制顶板岩层离层，保持顶板的完整与 稳定，同时为巷旁充填提供安全、宽敞的作业空间。 当然 ，深部沿空留巷与浅部相 比，对加强支护提出 更高的要求。 用于沿空 留巷巷内加强支护的形式也主要有 2 种单体支柱配顶粱及专门设计的加强支护液压支 架。淮南矿业集团公司与有关单位合作开发出 白移 式主动强力控顶支架L 2 J 。该支架 由立柱、四连杆机 构、顶梁与底座组成 ，前后相邻两架支架由伸缩梁 和推移千斤顶连接，支架相互推拉实现 自移行走。 加强支架 4根立柱工作阻力达 8 0 0 0 k N，主动支撑 力与护表面积大。 根据谢一矿 5 1 2 1 B1 0工作面回风巷的地质与生 产条件 ，选取了单体支柱配顶梁的加强支护方式。 超前工作面煤壁 2 0 46 0 m 采用 D Z型单体支柱配 HD J A 一1 0 0 0金属铰接顶梁单排支护 ；超前煤壁 2 0 m 用单体支柱配合金属铰接顶梁三排支护。铰接 顶梁为一梁一柱，走向棚支护，支柱初撑力不小于 5 0 k N。工作面滞后煤壁 1 0 0 m 范围内用单体支柱 配合金属铰接顶梁三排加强支护。回风巷加强支护 布置如图 6所示。 图 6回风巷加强支护布置图 Fi g ． 6 La y o u t o f a d d i t i o n a l e n h a n c e d s u p p o r t i n g f o r t a i l g a t e 3 ． 1 ． 3巷旁 支护 如前所述，巷旁支护有多种形式，但对于深部 沿空留巷，比较适合 的是充填式巷旁支护 。深部沿 空留巷对巷旁充填支护提出以下要求 1 充填体强度 。巷旁充填体在工作面顶板垮 落过程 中应具有足够的强度切断直接顶岩层。一方 面 ，要求充填体从开始充填到达到最大强度的过程 中，强度的增加应与顶板下沉、来压步距与时间相 适应。在顶板下沉与来压明显的情况下，如果充填 岩石力学与工程学报 体强度仍然比较小，则不能有效控制围岩变形。另 一 方面，充填体最终强度必须达到一定数值，巷旁 支护达到合理的支护阻力，才能保持留巷的长期稳 定。对于深部沿空留巷，由于地应力高、采动影响 强烈，要求巷旁充填体有较快的增阻速度，最终能 达到较高的强度与支护阻力。 此外，沿空留巷一般要复用，即不仅要用作本 工作面回风与抽采瓦斯的通道 ，而且要用作下一个 采煤工作面的运输巷或回风巷。留巷服务 2个采煤 工作面，还要经受下一个工作面的采动影响，维护 时间成倍增加。要求巷旁充填体在服务期问不能风 化，应有较高的长期强度。 2 充填体变形性能。巷旁充填体不仅要有较 高的强度 ，而且应具有较好的变形性能，以适应基 本顶岩层旋转下沉引起的变形 。沿空留巷服务时间 长，要求充填体同时具有较高的长期强度与足够的 变形性 。此外，巷旁充填体不能产生较大的侧向变 形，以保证留巷有足够的断面积，满足生产要求。 3 充填体施工。巷旁充填一般采用泵送 的方 式，要求充填材料应有 良好的泵送性能。充填体的 构筑应紧跟采煤工作面，构筑速度应能满足综采工 作面推进速度的要求。特别强调的一点是，充填体 上方的顶板必须预先进行锚杆与锚索支护，使顶板 保持完整与稳定，避免顶板破碎与 冒顶，是确保巷 旁充填支护成功的必要条件。这一点不仅在沿空留 巷的实践中得到证实，而且对于采空区内留巷也是 必须的1 J 。 本试验中，在工作面与回风巷连接的出口处过 渡支架移架后 ， 在煤壁位置沿回风巷下帮 向下 3 m， 长度 5 m范围内进行沿空留巷超前掘进，并进行锚 杆支护。锚杆为直径 2 mm、长度 2 m 的左旋无纵 筋螺纹钢锚杆 ，间排距为 1 0 0 0 mm 8 0 0 mm，每排 布置 4根锚杆 ，采用钢带与金属网护顶。 4 巷旁充填成本。要求巷旁充填不仅在技术 上能满足要求，而且成本不能太高，否则不利于大 面积推广应用 。 目前，巷旁充填材料主要有高水充填与膏体充 填材料 。膏体充填材料一般 以水泥、粉煤灰、石子、 砂和少量外加剂组合而成。这种材料取材广泛，可 以实现废物利用，成本低、强度大，一般最终强度 可达 1 5 MP a左右 ，经过配方调整，其强度可以达 到 3 0 MP a 。因此，选择该种材料作为深部沿空留巷 的巷旁充填材料。 本次试验采用膏体充填材料进行巷旁充填，充 填体强度随时间的变化见表 2 。5 d后抗压强度达到 1 0 MP a ，最终强度可达 1 4 MP a 。 表 2 充填体材料强度随时间的变化 T a b l e 2 S tr e n g t h v a r i a t i o n s o f b a c k f i l l i n g ma t e r i a l wi t h t i me 时间， d 抗压强度／ MP a 充填泵采用德国普茨迈斯特公司的 B S M1 0 0 2 E 混凝土充填泵 。设计充填体宽度为 2 ． 5 m，高度 1 ． 6 m，每 日充填 4 ． 8 m。 3 ． 2 井下监测 与支护效果分析 3 ． 2 ． 1掘进期间 1 巷道表 面位移 在 5 1 2 1 B 1 0工作面回风巷施工过程 中与结束 后，对巷道掘进期问的表面位移、项板离层及锚杆 受力进行了监测。共设置 2个测站，其中测站 2的 掘进期间回风巷表面位移监测 曲线见图 7 。 距掘进工作面距离／ m 图 7 掘进期 间回风巷表面位移监测 曲线 F i g ． 7 Di s p l a c e me n t c u r v e s o f t a i l g a t e d u r i n g d r i v i n g 掘进期间，两测站两帮移近量平均为 1 5 1 m m， 其中上帮位移量为 8 7 mm，采空区侧帮 该帮回采后 不复存在，设置充填体 位移量为 6 4 mm，上帮位移 较大；顶底板移近量平均为 4 9 mm，其中顶板下沉 1 2 mm，底臌量为 3 7 mm，底臌为主要变形。距掘 进工作面 0 ～2 0 m 范围内围岩位移增加明显，3 0 ～ 5 0 m后基本稳定。整个巷道变形量较小，围岩完整、 稳定，支护效果明显好于以前采用的普通高强度锚 第 2 9卷第 1 0期 康红普，等．深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术 1 9 8 3 杆支护。两者支护方式的井下支护状况对比如图 8 所示 。 f a 普通高强度锚杆支护 f b 强力锚杆与锚索支护 图 8 普通高强度锚杆 支护 与强力锚杆支护状况对 比 F i g ． 8 Co mp a r i s o n o f b o l t i n g s t a t e s b e t we e n c o mmo n h i g h s t r e n g t h b o l t s a n d i n t e n s i v e b o l t s 2 顶板离层 图 9为测站 2回风巷顶板离层 曲线 。两测站顶 板离层值平均为 距工作面 1 ～1 3 0 m 浅部离层 6 mm，深部离层 4 mm，总离层 1 0 mm。顶板离层值 很小，强力锚杆与锚索支护有效控制了顶板离层 。 暑 g Ⅱ 髓 蛙 瞽 距掘进工作面距离／ ln 图 9回风巷顶板离层曲线 F i g ． 9 Ro o f d e l a mi n a t i o n c u r v e s o f t a i l g a t e 3 锚杆受力 采用安设在锚杆尾部的锚杆测力计进行了锚杆 与锚索受力监测，锚杆测力计编号见图 5 。测站 2 顶部锚杆受力监测曲线见 图 l O a 。由图 l O a 可知， 在测站距掘进工作面 O ～3 0 m范围内，受力变化较 大。距掘进工作面 5 0 m后，锚杆受力趋于稳定。预 紧力较高的 “ 项 3 ”锚杆，在距掘进工作面 1 5 m后 基本稳定，而且受力变化幅度仅为 1 2 k N。可见， 预紧力较高的锚杆受力稳定速度快 ，受力变化小； 靠近上帮的 “ 顶 6 ”锚杆，预紧力小，锚杆受力一 直在增大， 增长幅度为 4 1 k N， 到距掘进工作面 9 0 m 之后才趋于稳定 。可见，预紧力小的锚杆受力增长 幅度大 ，趋于稳定的时间长 。 撂 距掘进工作面距离／ m a 项板锚杆 距掘进工作面距离／ m b 煤帮锚杆 图 1 0 回风巷锚杆受力监测曲线 Fi g ． 1 0 Lo a d c u r v e s a l o n g b o l t s i n t a i l g a t e 测站 2煤帮锚杆受力监测 曲线见图 1 0 b 。锚杆 受力一般在距掘进工作面 3 0 m 以后趋于稳定。预紧 力较高的下帮锚杆受力变化小，在 1 0 ～1 3 k N之间， 且很快达到稳定；预紧力较小的上帮锚杆受力变化 较大，在 1 6 3 2 k N之间。特别是预紧力很小的 “ 上 岩石力学与工程学报 帮 1 ”锚杆，其受力增加值达到 了4 9 k N，在距掘进 工作面 9 0 m 以后才趋于稳定。 4 锚索受力 测站 2锚索受力监测曲线见图 1 1 。锚索受力在 距掘进工作面 3 0 m 以后达到稳定，锚索受力基本不 再变化。锚索由安装至受力稳定，其应力变化很小， 其中锚索 1从安装时的预紧力 2 3 4 ． 2 k N 增加到 2 4 1 ． 8 k N，荷载增幅仅为 7 ． 6 k N；锚索 2由2 4 4 ． 8 k N 增加到 2 4 9 ． 4 k N，增幅更小，为 4 ． 6 k N。 距掘进工作面距离／ m 图 1 l 回风巷顶板锚索受力监测 曲线 F i g ． 1 1 L o a d c u r v e