回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术.pdf

第 3 1 卷第 1 O 期 2 0 1 2年 l 0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 fR o o k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vb 1 ． 3 1 No ． 1 O Oc t ． ， 2 01 2 回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征 与支护技术 康红普 ，颜立新 2 7郭相平 2 张占涛 2 高富强 L 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 ． 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 1 0 0 0 1 3 摘要，以晋城矿区回采工作面多巷布置留巷为工程背景，基于大量实测数据，分析留巷围岩变形与破坏的特征及 机制。采用数值模拟软件 F L AC 。 研究巷道布置方式、煤柱尺寸、回采工作面宽度等参数对留巷围岩变形与破坏 的影响，分析留巷及采煤工作面周围的应力分布。在此基础上，提出适合留巷特点的巷道支护形式与参数。在井 下进行支护试验，监测留巷从掘进到报废全过程的围岩位移与支护体受力，评价支护效果。研究结果表明留巷 在受到本工作面超前支承压力作用后，围岩位移虽有增加，但变化不大；在本工作面后方一定距离围岩位移急剧 增加，并在 5 0 2 0 0 m范围内位移速度达到最大值，之后逐步趋于稳定；当留巷受到下～个工作面超前支承压力 作用后，围岩位移再次显著增加。留巷围岩变形与巷道布置方式、煤柱尺寸及回采工作面参数密切相关。高预应 力强力锚杆与锚索支护、全锚索支护是比较适合留巷的支护方式，能够大幅度减少围岩位移， 保持巷道长期稳定。 最后分析存在的问题，并提出改进意见。 关键词I采矿工程；煤矿巷道留巷；数值模拟；井下试验 中圈分类号l T D 3 2 文献标识码l A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 2 1 0 2 0 2 2 1 5 CHARACTEI US TI CS oF S URRoUNDI NG RoCK DE ATI oN AND REI NFoRCEM ENT TECHNoLoGY oF RETAI NED ENTRY I N W oRKI NG FACE W I TH M U1 I ． ENTRY LAYoUT KANG Ho n g p ul I 2 ， YAN Li x i nl I 2 ， GUO Xi a ng pi n g1 。 。 ， ZHANG Zh a n t a o 1 ’ ， GAO Fu q i a n g1 _ f 1 ． Co a l Mi n i n ga n dDe s i g n i n gBr a n c h，Ch i n a Co a l Re s e a r c hI n s t i t u t e ，Be ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ；2 ． C o a l Mi n i n ga n dDe s i g n i n g De p a r t me n t ，T i a n d i S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e e n t ri e s r e t a i n e d f o r n e x t wo r k i n g f a c e i n the mu l t i - e n t r y s y s t e m i n J i n c h e n g mi n i n g d i s t r i c t ，a n d a l a r g e q u a n t i t y o f mo n i t o r i n g d a t a c o l l e c t e d i n t h e s e e n t r i e s ， t h e c h a r a c t e ris t i c s a n d me c h a n i s ms o f d e f o r ma t i o n an d d a ma g e a s s o c i a t e d wi t h the s e e n t r i e s a r e an a l y z e d ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n c o d e F LACⅢ i S u t i l i z e d t o a n a l y z e t h e e ffe c t s o f e n t r y l a y o u t p a t t e r n，c o a l p i l l a r s i z e ，a n d f a c e wi d t h o n t h e d e f o rm a t i o n a n d d a ma g e o f t h e e n 仃i e s r e t a i n e d f o r n e x t f a c e an d t h e s t r e s s d i s tri b u t i o n aro u n d the e n tri e s a n d f a c e s a r e c a l c u l a t e d ．T h e r e i n for c e me n t p a t t e rns and p a r a me t e r s s u i t a b l e for e n tr i e s r e t a i n e d f o r n e x t f a c e are p r o p o s e d b a s e d o n a b o v e r e s e arc h e s ． Un d e r g r o u n d t e s t s are c a r r i e d o u t ；the s u r r o u n d i n g r o c k d i s p l a c e me n t s ，r o c k b o l t and c a b l e l o a d s a r e mo n i t o r e d d u r i n g t h e wh o l e s e r v i c e p e ri o d o f t h e e n tr i e s r e t a i n e d ；a n d t h e r e i n f o r c e me n t p e r f o r m r l c e i s e v a l u a t e d ． 收麓 日期I 2 0 1 20 41 0 ； 回日期I 2 0 1 2 0 50 8 基金项 目一国家高技术研究发展计 1J 8 6 3计划 项 目 2 0 0 8 AA 0 6 2 1 0 2 作t筒介t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 支护技术方面的研究与教学工作 。E - ma i h k a n g h p 1 6 3 ． t o m 第 3 1 卷第 1 O期 康红普等回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术 T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o wwh e n t h e e n t r y r e t a i n e d i S o r i g i n a l l y a f f e c t e d b y the f r o n t a b u t me n t s t r e s s o f the c u r r e n t f a c e ，t h e s u r r o u n d i n g r o c k d i s p l a c e me n t i n c r e a s e s mo d e r a t e l y ； wh e n t h e c u r r e n t wo r k i n g f a c e a d v a n c e s p a s t t h e e n t r y r e t a i n e d f o r a c e r t a i n d i s t a n c e ， t h e s u r r o u n d i n g r o c k d i s p l a c e me n t i n c r e a s e s s h a r p l y； t h e p e a k o f d i s p l a c e me n t v e l o c i t y a p p e ars wh e n the wo r k i n g f a c e i s 5 02 0 0 m a wa y；a n d t h e n t h e d i s p l a c e me n t i s t e n d i n g t o ward s s t a b i l i ty；wh e n t h e e n t ry r e t a i n e d i s a ffe c t e d b y the f r o n t a b u t me n t s t r e s s o f t h e n e x t f a c e ， t h e s u r r o u n d i n g r o c k d i s p l a c e me n t i n c r e a s e s e v i d e n t l y a g a i n ． Th e d e f o r ma t i o n o f the e n t r i e s r e t a i n e d i s c l o s e l y c o n n e c t e d wi t h e n t r y l a y o u t p a t t e rns ， c o a l p i l l ar s i z e a n d t h e p ara me t e r s o f wo r k i n g f a c e s ． Th e r o c k b o l t s a n d c a b l e s wi th h i g h p r e t e n s i o n an d i n t e n s i v e s tre n g t h ， a n d t h e c a b l e b o l t i n g s e t i n f u l l e n t ry s e c t i o n are fi t for the e n t r i e s r e t a i n e d ， whi c h C an r e d uc e s u r r o un di ng r o c k d i s p l a c e m e n t s g r e a t l y an d k e e p t he e n t r i e s s t a b l e for a l o n g t i me ． Fi n a l l y， t he e x i s t i n g f a u l t s are a l s o a d d r e s s e d a n d s o me i mp r o v e me n t s u g g e s t i o n s are p r o v i d e d ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ； c o a l e n t r y；e n t r y r e t a i n e d ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n ；u n d e r g r o un d t e s t 1 引 言 回采工作面巷道布置有多种方式 ，包括单巷、 双巷及 多巷布置方式⋯。对于瓦斯涌出量不大 、煤 层赋存较稳定的工作面，回采顺槽一般采用单巷布 置，而且，下一工作面的回风顺槽应在相邻工作面 开采完毕，采空区上方岩层活动基本稳定后再掘进。 随着采煤工作面产量大幅度提高，以及大量高瓦斯 矿井的出现 ，为了有效解决运输、通风及瓦斯等 问 题 ，工作面双巷、多巷布置 已经成为一种主要的巷 道布置方式 。这种布置方式最突 出的问题是既为本 工作面也为下一个工作面服务的留巷支护 的布置 问 题 。留巷不仅受到本工作面超前与后方支承压力的 作用，而且受到下一个工作面超前支承压力影响。 同时，巷道服务于 2个回采工作面，维护时间很长。 由于留巷在开采空间与时间上的特点，导致 留 巷围岩应力与位移分布规律、围岩变形与破坏特征、 围岩与支护相互作用关系等与一般回采巷道有显著 的区别。针对这些 内容 ，国内外的学者 已经进行 了 一 些研究工作，主要集 中在 以下几点 1 回采工作面巷道布置及煤柱留设 。美国的 学者在长壁工作面巷道布置、煤柱尺寸设计及煤柱 稳定性方面作 了大量研究工作 。提 出双巷、三巷 、 四巷、五巷，及三巷与四巷组合布置方式L2 】 。目前， 三巷布置方式得到普遍应用 。采用煤柱稳定性分析 方法、实验室与现场试验及数值模拟法等研究煤柱 的强度、载荷及承载能力，进而得 出比较合理的煤 柱尺寸【 3 。我国神东、晋城等矿区曾借鉴美国的经 验 ，采用过双巷 、三巷及三巷 与四巷 组合布置方 式【 5 】 。目前 ，双巷、两巷与三巷组合布置方式得到 普遍应用 。至于煤柱尺寸设计 ，一方面对国外的一 些煤柱设计方法与公式进行 了改进，以适应本矿区 的煤层条件L 7 】 ；另一方面 ，采用理论计算、数值模 拟及井下煤柱应力监测等方法，研究煤柱的稳定性， 得 出比较合理的煤柱宽度【 8 j 。 2 留巷 围岩应力分布及变形与破坏规律 。留 巷围岩应力、 变形分布与原岩应力、围岩力学性质 、 围岩结构及与回采工作面 的空间及时间关系等因素 有关。国内回采工作面采用双巷、多巷布置的矿区， 都不同程度地对 留巷 围岩变形与破坏特征进行了研 究，得 出一些规律性的认识 。如晋城矿区针对大采 高工作面、综采放顶煤工作面留巷地质与生产条件， 采用数值模拟方法研究了留巷围岩应力，塑性区范 围，不 同煤柱宽度下煤柱应力分布特征【 1 川 。结合煤 柱应力监测、煤柱钻孔结构观察等手段，对 留巷矿 压显现规律进行 了系统研究 ，确定了留巷的护巷煤 柱宽度 。 3 留巷支护与加固技术。 目前，留巷支护与 加 固有 2种方式一是巷道掘进期间先进行基本支 护 ，然后在受到工作面采动影响前进行加强支护， 支护方式有锚索、金属支架及木垛等 ；二是采用一 次支护，即在巷道掘进期间就大幅度提高支护系统 的强度与刚度 ，保证留巷在整个服务期间内围岩变 形能满足使用要求 ， 基本不需要加强支护 。 很显然， 第二种方式，即采用一次支护具有很 多优点。巷道 在服务期 间基本不需要加固与维修，不影响回采工 作面的正常生产。但是，普通高强度锚杆与锚索支 护难 以有效控制留巷围岩强烈变形，保持巷道 的长 期稳定。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 ， 并在千米深井巷道 、沿空留巷及受强烈动压影响巷 道中得到成功应用，有效控制了围岩强烈变形【 l 3 ． 】 。 高预应力 、强力锚杆与锚索支护技术在晋城矿 区的 岩石力学与工程学报 部分留巷巷道 中也得到初步应用，取得 了较好的支 护效果[ 1 6 - 1 7 】 。 本文针对晋城矿区回采工作面双巷、多巷布置 留巷地质与生产条件 ，研究不同巷道布置与留巷围 岩变形与破坏规律，煤柱应力分布特征 。提出留巷 合理的支护方式及参数，并进行井下试验，评价支 护效果，提出留巷支护原则与建议 。 2 留巷围岩变形特征分析 以晋城矿区成庄矿 、寺河矿 、赵庄矿回采工作 面双巷与多巷布置留巷为例，分析留巷围岩变形与 受力分布特征。 2 ． 1 双巷布置 晋城成庄矿回采工作面巷道布置一般采用双巷 布置方式，其 5 3 0 6工作面巷道布置如图 1所示。工 作面东西两侧共布置 4条顺槽 ， 5 2 1 1 巷、5 2 1 6副巷 为工作面进风巷；5 2 1 2巷、5 2 1 2副巷为工作面回 风巷 。其 中 5 2 1 6副巷、5 2 1 2副巷为留巷，沿 3 煤层底板掘进 ，3 煤层厚度为 5 ． 9 3 ～6 ． 0 3 m，属于 煤层顶板巷道。工作面埋深为 3 3 2 4 4 0 m。5 2 1 2 正副巷之间、5 2 1 1巷与 5 2 1 6副巷之间的煤柱宽度 均为 3 5 m。巷道断面呈矩形，宽度 4 ． 5 2 m，高度 3 ． 2 m，采用高强度锚杆与锚索支护。 图 1 回采工作面双巷布置 晋城成庄 F i g ． 1 T wi n e n t r y l a y o u t f o r wo r k i n g f a c e C h e n g z h u a n g ， J i n c h e n g 矿压监测数据表 明 5 2 1 2副巷在掘进期间两帮 位移量为 2 1 mm，巷帮位移量煤柱侧较大，实体煤 体较小；项板下沉量很小。顶板锚杆最大轴 向拉力 为 9 4 ～1 2 5 1 N，大多在 1 0 0 k N 左右，约为锚杆拉 断载荷的 4 O ％～5 O ％。 回采影响期间，巷道受工作面超前支承压力影 响后，围岩变形虽有增加，但增加幅度不大。围岩 变形主要发生在工作面后方 4 0 0 m范 围内。在一般 地段，两帮移近量为 2 5 0 mm，顶底板移近量为 3 5 2 mm，而且主要是底臌 。但在 5 2 1 2副巷的构造区域 地段，由于含有很 多小构造 ，项板淋水，导致底臌 量达到 1 0 0 0 mm 以上。巷道底臌后两帮也发生收 缩变形，移近量最大达到 8 0 0 mm，且顶板破坏 比 较严重。工作面回采完毕后，5 2 1 2副巷有一处发生 冒顶 ，宽度基本等于巷道宽度，长度为 5 ～6 m，冒 高 4 m左右 。 5 2 1 6副巷也为留巷， 但 5 2 1 6副巷在 5 3 0 6工作 面回采完毕后巷道围岩变形不大 ，完全能满足下一 个工作面的使用要求 。可见，虽然留巷断面、支护 方式、煤柱宽度等都相同，但 由于受地质构造和水 的影响，导致巷道围岩变形相差悬殊 。 2 ．2 多巷布置 1 寺河矿 寺河矿 3 3 0 2工作面为一次采全高工作面，工作 面布置 5条顺槽 见图2 ，为 “ 三进二回”布置方式。 3 3 0 2 2 S ，3 3 0 2 4 S为留巷。3 3 0 2 4 S与 3 3 0 2 2 S ，3 3 0 2 2 S 与 3 3 0 2 3 S之间的煤柱宽度分别为 l 5和 3 5 m。巷道 沿 3 煤层底板掘进，煤层厚度平均为 6 ． 2 m，属于 煤层顶板巷道。3 3 0 2工作面煤层埋深平均为4 0 0 m。 巷道断面为矩形，宽度 5 ． 0 m，高度 3 ． 5 m，采用高 强度锚杆与锚索支护 。 二]目 1日-- 1 l曰 I I l l l l II Il l 3 3 0 2 1 S 巷 3 3 0 2工作面 3 3 0 2 3 S 巷 。 ll 3 3 o z 网1 0 l 3 5 m ll l 1 5 m ll I 3 3 0 2 4 S 巷 图 2 回采工作面五巷布置 晋城寺河 F i g ． 2 F i v e e n t r y l a y o u t for wo r k i n g f a c e S i h e ，J i n c h e n g 在 3 3 0 2 2 S巷留巷期间，进行 了巷道表面位移 及锚杆与锚索受力监测。 巷道表面位移监测结果表 明在 3 3 0 2工作面采动影响期间，巷道顶板下沉 量不大，不超过 4 0 mm；巷道底臌量在一般地段不 超过 2 0 0 mm，在围岩条件显著劣化的地段底臌 比 较严重，最大底臌量达到6 0 0 mm。在 3 3 0 2 工作面 前后，留巷两帮移近量变化趋势如图 3所示。当巷 道受到工作面超前支承压力影响，围岩变形显著增 加。当工作面采过后，围岩变形持续增加。3 3 0 2工 第 3 1 卷第 1 0期 康红普等回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术 2 0 2 5 -萋 距回采工作面距离， m 图3 留巷两帮位移监测曲线 晋城寺河 F i g - 3 S i d e - t o - s i d e c o n v e r g e n c e c u r v e o f e n t r y r e t a i n e d f o r n e x t wo r k i n g f a c e S i h e ，J i n c h e n g 作面对 3 3 0 2 2 S巷的采动影响范围较大，超前工作 面约 7 0 m，滞 后工作面约 3 3 0 m，影响范围共约 4 0 0 m。超过该范围，围岩变形趋于停止 。围岩变 形主要发生在滞后工作面阶段。3 3 0 2工作面采动对 巷帮与底板位移的影响远远超过顶板 。 3 3 0 2工作面采动影响期 间， 锚杆最大轴 向拉力 为 9 0 1 2 0 k N。靠近工作面煤柱侧的顶板与巷帮锚 杆受力较大。锚索最大轴 向拉力基本在 1 4 0 k N 左 右 ，并且巷帮锚索受力较大。说明靠近工作面的煤 柱受采动影响更为强烈 。 2 寺河矿二号井 寺河矿二号井 X V1 3 0 1工作面开采 1 5 煤层 。 如 图 4所示，工作面布置 5条顺槽 ，为 “ 三进二回” 布置方式 。X V1 3 0 1 4 ，XV1 3 0 1 5 巷为 留巷 。 麒 薄 诽 蔺i 蛰 辞 图 4 回采工作面五巷布置 晋城寺河矿二号井 F i g ． 4 F i v e - e n t r y l a y o u t f o r wo r k i n g f a c e f No ． 2 c o a l mi n e ， S i h e ，J i n c h e n g X V1 3 0 1 2 与XV1 3 0 1 4 巷之间的煤柱宽度为2 6 m， XV1 3 0 1 4与 XV1 3 0 1 5 巷之间的煤柱宽度为 1 6 m。 巷道沿 1 5 煤层项板掘进，煤层厚度平均为 2 ． 6 6 m。 煤层顶板为石灰岩，比较坚硬 ；底板为泥岩 ，并且 有一层铝土泥岩 ，遇水膨胀，属于坚硬项板 、松软 底板巷道。XV1 3 0 1 工作面煤层埋深平均为 4 0 0 m。 巷道断面为矩形 ，宽度 4 ． 0 m，高度 2 ． 6 m，采用高 强度锚杆与锚索支护。 在 XV1 3 0 1 工作面采动影响期间，对留巷表面 位移进行了监测 。监测结果表 明巷道顶板基本没 有下沉。两帮在工作面超前压力影响期间的最大移 近量为 1 6 0 mm。滞后回采工作面 ，巷道围岩变形 较大 。 XV1 3 0 1 4巷在超前回采工作面 5 0 m开始发生 底臌 ，XV1 3 0 1 5巷在滞后 回采工作面 5 0 m开始发 生底臌，并且一直不稳定 。XV1 3 0 1 4巷在 X V1 3 0 1 工作面 回采完 毕后 由于修 复工程量太大而放弃使 用。XV1 3 0 1 5巷在工作面回采完毕前进行 了 2次起 底，回采完毕后经过一段时间巷道顶底板闭合。之 后进行了一次全面起底，但底臌仍没有停止。经过多 次起底之后，部分区域巷道两帮也发生剧烈变形 ， 两帮移近 量最大达到 1 0 0 0 mm左右 ， 顶板也出现 裂缝 。 留巷变形主要是底臌，两帮收敛和顶板开裂也 是因为底臌引起。这类坚硬顶板、松软底板留巷底 臌严重的主要原因为底板松软且含有铝土岩，遇 水膨胀 ，底板无支护；顶板为坚硬的石灰岩，工作 面回采后顶板不易垮落 ，造成采空区内存在大面积 悬顶 ，致使煤柱支承压力很大 。当高支承压力传递 到巷道底板 ，底板承受不 了高压力而发 生强烈底 臌 。 3 赵庄矿 赵庄矿 1 3 0 3工作面开采 3 煤层。工作面巷道 布置如图 5所示，为 “ 三进二回”布置方式。1 2 0 3 5 图 5 回采工作面五巷布置 晋城赵庄 F i g ． 5 F i v e e n t r y l a y o f o r w o r k i n g f a c e Z h a o z h u a n g ， J i n c h e n g 2 0 2 6 岩石 力学与工程学报 和 1 2 0 3 2巷为留巷巷道。1 2 0 3 5 巷与 1 2 0 3 2巷之间的 煤柱宽度为 2 0 m，1 2 0 3 2巷与 1 2 0 3 3巷之间的煤柱 宽度为 4 0 m。巷道沿 3 煤层顶底板掘进 。 煤层平均 厚度 4 ． 5 m，松软破碎。工作面煤层埋深为 5 5 0 ～ 6 0 1 m。煤层直接顶为砂质泥岩或粉砂岩，直接底 为泥岩。巷道断面为矩形，宽度为 5 ． 6 m，高度为 4 ． 5 I T I ，属于特大断面、松软煤层、超高煤帮留巷 。 采用高强度锚杆与锚索支护 。 在 1 3 0 3工作面采动影响期间，在 1 2 0 3 2巷进行 了巷道表面位移及锚杆受力监测 。巷道两帮移近曲 线如图 6所示。回采工作面采动影响范围较大 。在 超前工作面 7 0 m左右采动影响就开始显现，之后随 着巷道接近 回采工作面，围岩变形逐渐增加。工作 面推过 8 5 1 T I 时两帮移近量急剧增大；工作面推过 1 2 5 m 时两帮移近速率有所减小，但两帮移近量仍 在继续增大；工作面推过 1 7 0 1 T I 时，两帮移近量达到 1 8 7 2 m，两帮位移仍然没达到稳定；直到工作面推 过 3 0 0 m左右 时，两帮位移才稳定 ，此时两帮移 近量达到 2 0 0 0 mm。 在 回采影响期间， 巷道底臌严 重，最大底臌量达 1 9 0 0 mm。可见 ，1 2 0 3 2巷围岩 变形主要发生在回采影响阶段，尤其是在工作面推 过之后巷道围岩变形加剧。回采影响阶段巷道变形 量 占总变形量的 7 0 ％～8 5 ％。围岩变形特征以两帮 煤体整体挤出和底臌为主要特征，顶板下沉量不大。 图6 留巷两帮位移监测曲线 晋城赵庄 Fi g ． 6 S i d e t O s i d e c o n v e r g e n c e c u r v e o f e n t r y r e t a i n e d f o r n e x t w o r k i n g f a c e Z h a o z h u a n g ，J i n c h e n g 锚杆最大轴 向拉力为 1 0 0 ～1 1 5 k N，达到杆体 拉断强度的 4 0 ％4 5 ％。顶板锚杆受力较大，帮锚 杆受力普遍不大 ，而帮锚索受力较大，帮锚索托板 绝大多数都 出现严重变形 。 2 ．3 留巷围岩变形特征 综合分析上述双巷、多巷布置中留巷围岩变形 与破坏情况，发现有 以下特征 1 留巷围岩变形可分为掘进、相邻巷道掘进 影响、本工作面超前采动影响、本工作面后方采动 影响及下一个工作面超前采动影响等 5个阶段 。 2 留巷在掘进期间围岩变形规律与一般巷道 相 同。当受到相邻巷道掘进影响后，留巷 围岩变形 有所增加 ，并导致两帮位移不对称。但在掘进及受 相邻巷道掘进影响阶段 ，留巷围岩变形不大。 3 当留巷受到本工作面超前支承压力影响 ， 围岩变形显著增加 。但是，该阶段留巷围岩变形仅 占巷道总变形的一少部分。 4 随着回采工作面采过 留巷，围岩变形进一 步增加 ，并且在滞后 回采工作面一定位置上 围岩变 形速度达到最大值。之后，围岩变形速度不断降低 。 该距离与巷道地质条件、煤柱宽度及采煤工作面开 采参数 采高、工作面长度、推进速度 等多种因素 有关 。对于晋城矿区，该距离为 5 0 2 0 0 m。本工 作面后方采动影响范围一般很大，晋城矿区可达到 3 0 0 4 0 0 m。该阶段的围岩变形占留巷总变形的主 要部分。 5 随着 留巷继续远离回采工作面，采空区上 方岩层剧烈活动基本结束，留巷围岩变形速度逐渐 减小，围岩变形趋于稳定 。 6 当留巷受到下一个工作面超前支承压力影 响，围岩变形又逐渐增加 ，并在工作面 附近达到最 大值。但是，无论是采动影响程度 ，还是围岩变形 增加幅度都比本工作面后方一定距离小。 7 剧烈底臌 、两帮严重收敛是留巷 围岩变形 的最显著特 点。底臌表现为底板岩层扩容、松散破 碎，并向巷道 内弯 曲；两帮位移不仅有煤体破碎 引 起的体积膨胀 ，还有煤层在高支承压力作用下的整 体移动。强烈底臌引起两帮剧烈收敛 ，两帮收敛又 加剧了底臌。该过程反复循环，导致 留巷断面严重 收缩，甚至出现顶底板 、两帮闭合的极端状态 。 8 留巷围岩剧烈变形导致支护体严重破坏。 锚杆与锚索破断，托板压裂或压扁，钢带发生严重 弯 曲、扭曲及撕裂，金属网出现大网兜、被撕破， 不得不采用单体支柱、金属支架及木垛等方式进行 加强支护。 2 ． 4 留巷围岩变形影响因素 归纳起来 ，留巷 围岩变形的影响因素主要有 以 下方面 1 巷道围岩分布与力学性质 。围岩岩性分布 与力学性质对留巷围岩变形影响很大。一般情况下， 煤层强度小于顶板岩层强度 ，特别是煤层松软破碎 时，留巷两帮收敛剧烈 ；当巷道底板松软破碎 ，加 ， 1 1 S g＼ 辩睦 第 3 1 卷第 1 0期 康红普等回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术 之无支护 时，留巷往往发生强烈底臌 。 2 围岩结构与地质构造。留巷围岩 内节理、 裂隙等结构面发育，受到断层 、褶 曲等地质构造影 响区域，由于围岩不能承受工作面动压影响，而出 现严重变形与破坏。 3 地应力大小与方 向。地应力对 留巷掘进期 间及受工作面采动影响期间围岩应力分布有很大影 响。一般随着地应力增加 ，主应力差值增大，及巷 道轴线方向与最大水平主应力方 向呈不利的夹角， 围岩稳定性变差。 4 巷道布置与煤柱宽度 。巷道布置与煤柱 宽 度是影响留巷 围岩变形的关键 因素。在 多巷布置方 式中，一般越靠近 回采工作面的留巷，围岩变形与 破坏越严重；煤柱宽度越大，离回采工作面越远， 巷道 围岩变形越小。 5 回采工作面项板岩层分布与性质 。它直接 影响回采工作面初次来压、周期来压步距和来压强 度 ，以及采空区岩层垮落状态 ，进而影响回采工作 面采动影响范 围与程度 。煤层存在坚硬顶板，往往 导致采空区悬顶范围大 ，来压强烈 ，留巷围岩变形 剧烈 ，影响范 围大 ，而且时间长。 6 采煤工作面参数 。包括采高、工作面长度、 推进速度等，这些参数对回采工作面支承压力在空 间与时间上的分布 ，采动影响范围与程度产生显著 影响 ，进而影响留巷围岩变形与破坏。 7 巷道断面形状与尺寸 。一般拱形断面、断 面尺寸较小的留巷 围岩变形相对较小；大断面、超 高煤帮留巷 围岩变形较大，而且巷道容易失稳破坏 。 8 巷道支护方式与参数 。根据 留巷地质与生 产条件 ，围岩变形特 点，选择合理的支护形式与参 数 ，可有效控制留巷围岩变形。相反，若支护设计 不合理 ，不仅不能有效控制 围岩变形，而且支护体 会发生严重破坏 。 3 留巷 围岩应力与变形的数值模拟 为进一步了解工作面多巷布置留巷围岩变形、 应力分布及破坏特征 ，采用有 限差分数值计算软件 F L AC Ⅲ进行了模拟分析。 3 ． 1 模型建立 模拟工作面为晋城寺河矿 4 3 0 1 工作面，其巷道 布置如图 7所示 。工作面长度为 3 0 0 m。4 3 0 1 工作 面采用 “ 三进二回”方式进行通风，其中 4 3 0 1 3 巷 随 4 3 0 1工作面回采跨落，4 3 0 1 2和 4 3 0 1 4巷在 4 3 0 1 东 四 盘 区 辅 撤 运 输 巷 图 7 晋城寺河矿 4 3 0 1 工作面巷道平面布置图 F i g ． 7 En t r y l a y o u t f o r wo r k i n g f a c e 4 3 0 1 i n S i h e c o a l mi n e i n J i n c h e n g mi n i n g d i s t r i c t 工作面回采后 ，留巷为下一工作面服 务。4 3 0 1 2和 4 3 0 1 3巷之间煤柱宽度为 3 5 m，4 3 0 1 2和 4 3 0 1 4巷 之间煤柱宽度 为 2 0 m。巷道沿煤层底板掘进 。巷 道断面均 为矩形，其 中，4 3 0 1 1 ，4 3 0 1 2 ，4 3 0 1 4 ， 4 3 0 1 5巷宽度均为 5 ． 0 m，高度均为 3 ． 8 m；4 3 0 1 3 巷宽度为 5 ． 5 m，高度为 3 ． 8 m。 工作面开采 3 煤层 ，煤层平均厚度 6 ． 3 m，倾 角平均为 5 。 ，埋深平均为 4 3 8 m。煤层单轴抗压强 度为 2 1 ． 9 MP a 。3 煤层伪顶为炭质泥岩 ，随采掘脱 落，厚度平均为0 ．2 0 m， 单轴抗压强度为 3 5 ． 6 MP a 。 直接顶为砂质泥岩 ，平均厚度 2 ． 3 4 m，单轴抗压强 度为 7 5 ． 6 MP a 。老顶为中粒砂岩 ，平均厚度 7 ． 1 m。 直接底为砂质泥岩，平均厚度 2 ． 8 m，单轴抗压强 度为 4 3 ． 0 MP a 。老底为泥岩，厚度平均为 7 ． 5 2 m。 煤层顶底板岩层物理力学参数如表 1 所示。 表 1 巷道围岩物理力学参数 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 e n t r y s u r r o u n d i n g r o c k s 位 置 岩 性 ，， 体 篓 剪 篓 彰黏 聚M P a 考 模型原岩应力采用井下实测数据 。在晋城寺河 煤矿采用水压致裂法进行过系统 的地应力测量，并 分析了矿井地应力场分布规律【 1 引 。寺河矿地应力场 以水平应力为主，属于构造应力场类型。大部分测 点的地应力场类型为最大水平主应力为最大主应 力，垂直应力为中间主应力，最小水平主应 力为最 如 如 m 5 0 9 l ∞ 2 3 4 舳 ∞ 5 6 8 0 O O ∞ ∞ ∞ 2 2 2 岩