巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1、7 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律 7.2 采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 7.3 巷道圍巖控制原理,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,1、原巖體內(nèi)掘進巷道引起的圍巖應力 巷道開掘前的未經(jīng)采動影響巖體通常處于彈性變形狀態(tài)。 巷道開掘以后，圍巖應力出現(xiàn)重新分布，巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應力集中。根據(jù)圍巖強度與應力的大小可能有三種情況。, 典型巖石單軸壓縮全應力應變曲線,彈性變形階段,塑性軟化階段,流動變形階段,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,1、原巖體內(nèi)掘進

2、巷道引起的圍巖應力（圓形巷道為例）,情況1：巖體強度足夠大，圍巖仍然處于彈性狀態(tài),情況2：圍巖出現(xiàn)應變軟化，但未達到流動階段,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,1、原巖體內(nèi)掘進巷道引起的圍巖應力,情況3：部分圍巖已經(jīng)達到流動階段,1、原巖體內(nèi)掘進巷道引起的圍巖應力,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,1、原巖體內(nèi)掘進巷道引起的圍巖應力,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,討論： （1）傳統(tǒng)圓形巷道彈塑性理論解答的主要意義：理論解釋了支護阻力增大巷道變形減小的道理；理論解釋了巖石力學性質(zhì)對巷道圍巖應

3、力重新分布和變形的影響。 （2）按照圍巖應力與其強度的相對關系，巷道掘進以后，圍巖應力重新分布形成的流動區(qū)、應變軟化區(qū)巖石處于相對極限平衡狀態(tài)，應力達到巖石的強度，而處于彈性區(qū)的圍巖越往深處圍巖強度越大于所受應力。,2、回采工作面周圍支承壓力分布,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,圖 7-3 采空區(qū)應力重新分布概貌,1超前支承壓力 ； 2、3側(cè)向固定支承壓力； 4采空區(qū)支承壓力.,2、回采工作面周圍支承壓力分布,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,圖 7-3,需要指出的是，表中指的是沒有其他采面影響情況，如果有相鄰工作面，出現(xiàn)側(cè)

4、向固定支承壓力與超前支承壓力疊加，應力增高系數(shù)更大，可達57.,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,圖 2-21，22,2、回采工作面周圍支承壓力分布,德國埃森采礦研究中心數(shù)值計算結果，介質(zhì)為彈性體，原巖應力25MPa。,3、采動引起的底板巖層應力分布,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,圖 7-5a,（1）一側(cè)采空煤體： 煤體支承壓力近似三角形分布，應力增高系數(shù)3左右。 煤柱較大時，煤體支承壓力影響深度約為1.52倍煤柱寬度。 底板巖層內(nèi)應力呈擴展狀態(tài)，數(shù)值等于自重應力的等應力線與煤柱邊緣垂直線的夾角3040 。 底板巖層內(nèi)同一

5、水平面上支承壓力最大值在煤體下方，距采空區(qū)邊緣數(shù)米處。,3、采動引起的底板巖層應力分布,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,圖 7-5b,（2）二側(cè)采空窄煤柱： 煤柱內(nèi)的支承壓力呈鐘形分布，應力增高系數(shù)為5左右。 煤柱支承壓力影響深度約為34倍煤柱寬度。 底板巖層內(nèi)應力呈擴展狀態(tài)，底板巖層內(nèi)同一水平面上，垂直支承壓力以煤柱中心線處最大；數(shù)值等于自重應力的等應力線與煤柱邊緣垂直線的夾角30 40 。,3、采動引起的底板巖層應力分布,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,圖 7-5c,（3）二側(cè)采空寬煤柱： 煤柱內(nèi)的支承壓力呈馬鞍形分布

6、，應力增高系數(shù)為3.5左右。 底板巖層內(nèi)同一水平面上，支承壓力以煤柱中心線處較小，靠近煤柱邊緣出現(xiàn)峰值。 底板巖層內(nèi)應力呈擴展狀態(tài)，數(shù)值等于自重應力的等應力線與煤柱邊緣垂直線的夾角30 40 。,3、采動引起的底板巖層應力分布,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應力,（4）煤柱下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成增壓區(qū)的同時，附近還存在一定范圍的應力降低區(qū)。底板受采動影響過程中，隨工作面推進，在高度集中中急劇卸壓，在鉛直方向產(chǎn)生壓縮和膨脹，伴生出水平方向的壓縮和膨脹，出現(xiàn)水平應力升高區(qū)和卸壓區(qū)。,1、巷道圍巖應力影響帶,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.2 相鄰巷道的應力

7、分布及巷道間距的確定,巷道開掘以后，其周圍巖體內(nèi)的應力重新分布。巷道圍巖應力受擾亂的區(qū)域稱為影響帶，一般以超過原巖應力值的5作為影響帶的邊界。 如果相鄰巷道的應力影響帶彼此不重疊，可以忽略巷道間的相互影響。 如果相鄰巷道的應力影響帶彼此重疊，但沒有到達相鄰巷道，可進行巷道圍巖應力值的疊加。,1、巷道圍巖應力影響帶,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.2 相鄰巷道的應力分布及巷道間距的確定,在靜水壓應力場中，彈性變形巷道的應力影響區(qū)域形狀為半徑等于6r的圓（r為巷道斷面半徑）。在非靜水壓應力場中，巷道的應力影響區(qū)域形狀不再是圓形，一般為長軸不大于12r的橢圓。因此： （1）斷面相同兩圓形巷道的

8、間距D為：6rD12r （2）半徑不同兩圓形巷道的間距D為：6RD6（rR） 如果巷道周邊形成塑性變形區(qū)，相鄰巷道的應力影響帶不宜超過塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)的交界面。書P198提供了數(shù)值計算巖體力學參數(shù)取值參考。,2、巷間巖柱的穩(wěn)定性,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.2 相鄰巷道的應力分布及巷道間距的確定,巖柱的穩(wěn)定性取決于巖柱的載荷和巖柱的強度。 巖柱強度經(jīng)驗計算式： （1）Obert-Dwvall/Wang（1967）計算式：,（2）Bieniawski（1968）計算式：,3、相鄰巷道間合理距離,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.2 相鄰巷道的應力分布及巷道間距的確定,相鄰巷道

9、間的合理間距應該綜合巷道寬度、巷道埋深、圍巖強度、巖層傾角、巷道與巖層走向夾角等因素確定。 我國煤礦目前采深條件下的一般經(jīng)驗： （1）大巷間距離2040m。圍巖較穩(wěn)定取小值，不穩(wěn)定取大值；在淺部、堅硬圍巖或急傾斜條件下，可減小至10m；在深部或松軟圍巖條件下，可增大至50m。 （2）上下山及集中巷間距1530m。圍巖較穩(wěn)定取小值，不穩(wěn)定取大值；在淺部、堅硬圍巖或急傾斜煤層條件下，可減小到10m，在深部、松軟圍巖或厚煤層內(nèi)，應擴大到4050m。,3、相鄰巷道間合理距離,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.2 相鄰巷道的應力分布及巷道間距的確定,國外經(jīng)驗（前蘇聯(lián)煤礦巷道合理布置保護和支護規(guī)程）相

10、鄰巷道間合理距離計算：D=(a1+a2)K1 表7-2 巷道相互影響系數(shù)K1取值（書P199）,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.3 構造應力對巷道穩(wěn)定性的影響,圖7-7 巷道軸向平行、垂直構造應力條件下周邊圍巖應力分布 a平行構造應力； b 垂直構造應力。,合理巷道布置方向：巷道軸向與構造應力方向平行最佳，垂直最差，夾角2530影響無明顯變化。,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.4 受采動影響巷道的圍巖變形,（1）反映巷道圍巖變形量的常用指標：巷道頂板下沉量、底板臌起量、頂?shù)滓平?、巷幫移近量、兩幫移近量、深部圍巖移近量等。 巷道頂?shù)字赶锏乐行木€高度減少值。 兩幫移近量指巷道沿腰線水

11、平的寬度減少值。 （2）采動影響巷道圍巖變形量組成：主要由掘進引起的變形、回采引起的變形、采掘影響趨于穩(wěn)定后的圍巖流變組成。,1、巷道圍巖變形量的構成,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.4 受采動影響巷道的圍巖變形,2、巷道圍巖變形規(guī)律（五階段）,巷道掘進影響階段 掘進影響穩(wěn)定階段 采動影響階段 采動影響穩(wěn)定階段 二次采動影響階段,圖7-9,7.1 巷道圍巖應力及變形規(guī)律7.1.4 受采動影響巷道的圍巖變形,2、巷道圍巖變形規(guī)律（五階段）,表7-3 采區(qū)平巷不同礦壓顯現(xiàn)帶內(nèi)頂?shù)滓平?guī)律,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.1 巷道位置類型,根據(jù)巷道與回采空間相對位置及采掘時間關系的不

12、同，巷道位置可以分為五種類型： （1）本煤層巷道； （2）底板巷道； （3）頂板巷道； （4）厚煤層中、下分層巷道； （5）相鄰煤層巷道。,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.2 區(qū)段巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,1、區(qū)段巷道的布置方式,（1）兩側(cè)均為未受采動的煤體，即煤體煤體巷道； （2）一側(cè)煤體，一側(cè)煤柱，即煤體煤柱巷道；細分采動穩(wěn)定后掘進和回采過程中掘進. （3）一側(cè)煤體，一側(cè)采空區(qū)，即煤體無煤柱巷道：沿空掘巷、沿空留巷。,圖7-10,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.2 區(qū)段巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,2、區(qū)段巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,（1）煤體煤體巷道：圍巖變形經(jīng)歷巷道掘進影響、掘進

13、影響穩(wěn)定和采動前影響三個階段。 （2）采動穩(wěn)定后掘進的煤體煤柱巷道、沿空掘進巷道：圍巖變形經(jīng)歷巷道掘進影響、掘進影響穩(wěn)定和采動前影響三個階段。 但是，巷道服務期內(nèi)始終受相鄰區(qū)段側(cè)固定支承壓力影響，三個階段的圍巖變形均大于煤體煤體巷道。 （3）回采過程中掘進的煤體煤柱巷道、沿空留巷：圍巖的變形經(jīng)歷全部五個階段，圍巖變形量遠大于無采動及一側(cè)采動穩(wěn)定后掘進巷道。,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.2 區(qū)段巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,3、厚煤層中下分層區(qū)段巷道布置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,厚煤層中、下分層區(qū)段巷道相對本層工作面仍然有煤體煤體、煤體煤柱（采動穩(wěn)定、正采動）、煤體無煤柱（采動穩(wěn)定、正采動）三種

14、布置方式。 與上部分層主要有三種位置關系：布置在已穩(wěn)定采空區(qū)下方，附近無上分層遺留煤柱；布置在已穩(wěn)定采空區(qū)下方，附近并在上分層遺留煤柱附近；布置在上分層保護煤柱下部。,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.3 底板巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,1、底板巷道的位置,圖7-11 底板巷道位置 在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部； 在保護煤柱下部； 在尚未開采工作面下部，經(jīng)歷上部采面的跨采影響,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.3 底板巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,2、底板巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,圖7-11 底板巷道位置 在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部； 在保護煤柱下部； 在尚未開采工作面下部，經(jīng)歷上部采面的跨采影響,7.2

15、 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.3 底板巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,3、厚煤層主要巷道的布置方式,20世紀50年代至60年代初期，在厚煤層內(nèi)布置區(qū)段集中巷，上、下山甚至大巷，一般沿底板掘進，兩側(cè)留保護煤柱。 自60年代起，底板巖巷替代煤巷，維護好。 目前，在厚煤層內(nèi)布置上、下山甚至大巷。,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.4 上、下山巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,a 位于煤層內(nèi)用煤 柱保護的上下山,b 位于底板內(nèi)用煤 柱保護的上下山,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.4 上、下山巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,c 位于底板內(nèi)，不留上下山保護煤柱，后采翼跨采,d 位于底板內(nèi)，不留上下山保

16、護煤柱，先采翼跨采,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,巷道位置參數(shù)既明確了巷道所在的層位及其圍巖性質(zhì)，也決定了巷道受到采動影響的程度。 圍巖性質(zhì)是影響巷道維護諸因素中最為重要的因素，因此，在開采空間合理距離范圍內(nèi)，巷道應布置在相對穩(wěn)定的巖層內(nèi)。 本煤層巷與開采空間在同一層面內(nèi)，它的位置參數(shù)是巷道與采空區(qū)邊緣的距離，即保護煤柱的寬度。 底板巷道與開采煤層不在同一層面內(nèi)，它的位置參數(shù)是巷道與上部煤層之間的垂直距離z、巷道與上部煤柱邊緣之間的水平距離x、煤柱寬度B。 巷道布置類型及布置參數(shù)見書P208圖7-16。,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置

17、參數(shù)的選擇,1、巷道圍巖變形與z、x值的關系,圖7-17 巷道圍巖變形與z值之間的關系曲線 1區(qū)段集中巷； 2盤區(qū)上山。,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,1、巷道圍巖變形與z、x值的關系,圖7-18 巷道圍巖變形速度與上部煤柱邊緣之間的水平距離關系曲線1,1兩幫移近； 2頂?shù)滓平?7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,1、巷道圍巖變形與z、x值的關系,圖7-19 巷道圍巖變形速度與上部煤柱邊緣之間的水平距離關系曲線2,1兩幫移近； 2頂?shù)滓平?7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,2、巷道位置參數(shù)的選

18、擇 （1）底板巖層中應力分布區(qū)域,圖7-19 底板巖層應力分布區(qū)域 原巖應力區(qū)；應力集中區(qū)；卸壓區(qū)； 應力恢復區(qū)；A拉伸破裂區(qū)；B、C剪切滑移區(qū),7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,2、巷道位置參數(shù)的選擇 （2）巷道穩(wěn)定性指數(shù) 巷道開掘前所處位置的最大主應力與巷道圍巖單軸抗壓強度的比值稱為巷道穩(wěn)定性指數(shù)。 巷道穩(wěn)定性指數(shù)可以作為確定巷道位置參數(shù)的依據(jù)。,表7-4 巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù),7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,2、巷道位置參數(shù)的選擇 （3）計算底板巷道位置參數(shù)（見書P210）,圖7-21,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.

19、2.5 巷道位置參數(shù)的選擇,2、巷道位置參數(shù)的選擇 （4）計算頂板巷道位置參數(shù)（見書P211）,7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.6 綜放面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特點,7.2.6 綜放面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特點 1) 實體煤巷道 與綜采分層工作面相比，綜放整層工作面超前支承壓力分布范圍擴大，應力高峰位置前移；一般情況下綜放巷道各項礦壓顯現(xiàn)指標參數(shù)均高于綜采分層巷道。 2) 沿空掘進巷道 以兗州興隆莊煤礦為例，綜放與綜采一分層沿空巷道相比較超前支承壓力明顯影響區(qū)范圍擴大20m左右；頂?shù)装迤骄平吭黾?001000mm，頂?shù)装迤骄平俣仍黾?2mm/d。,7.3 巷道圍巖控制原理 7.3.1 巷

20、道圍巖壓力及影響因素 1) 圍巖壓力 圍巖變形受阻而作用在支護結構物上的擠壓力或塌落巖石的重力，統(tǒng)稱為圍巖壓力。 根據(jù)圍巖壓力的成因，可分為以下四種類型： 松動圍巖壓力、變形圍巖壓力、膨脹圍巖壓力、沖擊和撞擊圍巖壓力。,(1) 松動圍巖壓力 由于巷道開挖而松動或塌落的巖體，以重力的形式直接作用于支架結構物上的壓力，表現(xiàn)為松動圍巖壓力載荷形式。如支護不能有效地控制圍巖變形的發(fā)展，圍巖形成松動垮塌圈時，將導致松動圍巖壓力出現(xiàn)，通常頂壓顯現(xiàn)嚴重。,（2） 變形圍巖壓力 支護能控制圍巖變形的發(fā)展時，圍巖位移擠壓支架而產(chǎn)生的壓力，稱為變形圍巖壓力，簡稱變形壓力。 彈性變形壓力是圍巖彈性變形時作用于支架上

21、的壓力，彈性變形產(chǎn)生速度極快，變形量很小，實際意義不大。 塑性變形壓力是由于圍巖的塑性變形和破裂，圍巖向巷道空間位移，使支護結構受到的壓力，是變形圍巖壓力的主要形式。,（3） 膨脹圍巖壓力 圍巖膨脹、崩解體積增大而施加于支護上的壓力，稱為膨脹壓力。膨脹壓力與變形壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹而引起的。兩者的變形機制截然不同。前者是指與水發(fā)生物理化學反應；后者主要是圍巖應力與結構效應。 （4） 沖擊和撞擊圍巖壓力 沖擊圍巖壓力指圍巖積累了大量彈性變形能之后，突然釋放出來所產(chǎn)生的壓力；撞擊圍巖壓力是回采工作面上覆巖層劇烈運動時對巷道支護體所產(chǎn)生的壓力。,7.3.2 巷道圍巖控制原理和方法 1)

22、巷道圍巖控制原理 巷道圍巖控制：控制巷道圍巖的礦山壓力和周邊位移所采取的技術和方法的總和。 基本原理：根據(jù)巷道圍巖應力、圍巖強度以及它們之間相互關系，選擇合適的巷道布置和保護及支護方式。降低圍巖應力，增加圍巖強度，改善圍巖受力條件和賦存環(huán)境，有效地控制圍巖的變形、破壞。,2)巷道布置 (1) 在時間和空間上盡量避開采掘活動的影響，最好將巷道布置在煤層開采后所形成的應力降低區(qū)域內(nèi)。 (2) 如果不能避開采動支承壓力的影響，應盡量避免支承壓力疊加的強烈作用，或者盡量縮短支承壓力影響時間，例如跨越巷道開采，避免在遺留煤柱下方布置巷道等。,(3) 在采礦系統(tǒng)允許的距離范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定的巖層或煤層布置巷

23、道，盡量避免水與松軟膨脹巖層直接接觸。 (4) 通過地質(zhì)構造帶時，巷道軸向應盡量垂直斷層構造帶或向、背斜構造。 (5) 相鄰巷道或硐室之間選擇合理的巖柱寬度。 (6) 巷道的軸線方向盡可能與構造應力方向平行，避免與構造應力方向垂直。,3) 巷道保護及支護 巷道的保護及支護措施可以歸納為以下幾點： (1) 通過在巷道圍巖中鉆孔卸壓、切槽卸壓、寬面掘巷卸壓以及在巷旁留專門的卸壓空間等方法，使巷道圍巖受到某種形式的不同程度的卸載。 (2) 注漿、錨桿支護、錨索支護、巷道周邊噴漿、支架壁后充填、圍巖疏干封閉等方法，提高圍巖強度，優(yōu)化圍巖受力條件和賦存環(huán)境。,(3) 架設支架對圍巖施加徑向力，既支撐松動塌落巖石，又能加大巷道的圍壓，保持圍巖三向受力狀態(tài)，提高圍巖強度，限制塑性變形區(qū)和破裂區(qū)的發(fā)展。,7.3.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護選擇 1)巷道圍巖穩(wěn)定性分類 巷道圍巖穩(wěn)定性的類別是一個模糊概念, 選用模糊聚類分析方法. 分類指標： 圍巖強度方面 巷道頂板巖石單向抗壓強度、 煤層單向抗壓強度 巷道底板巖石單向抗壓強度， 圍巖巖體完整性指數(shù)。,表7-5 回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類指標聚類中心值,圖7-24 巷道埋深和圍巖強度與頂?shù)装逡?近量的