81.礦山壓力及其控制第八章

1、第八章 巷道維護(hù)原理和支護(hù)技術(shù)8.1 無煤柱護(hù)巷 8.1.1 護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性 留設(shè)煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，傳統(tǒng)的留煤柱護(hù)巷方法是在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷閉開固定支承壓力峰值區(qū)（圖8-1）。 區(qū)段平巷雙巷掘進(jìn)和使用，技術(shù)管理簡(jiǎn)單，對(duì)通風(fēng)、運(yùn)輸、排水、安全都有力。但是，媒柱損失高達(dá)1030%；且回風(fēng)巷受二次采動(dòng)影響，巷道維護(hù)困難，支護(hù)費(fèi)用高。煤柱支承壓力向底板傳播，不僅影響臨近煤層的開采和底板巷道的穩(wěn)定，還成為引發(fā)沖擊地壓的隱患。煤柱寬一般為1030m。1.煤柱的荷載 （1）煤柱荷載的估算 目前國(guó)內(nèi)外研究都認(rèn)為，護(hù)巷煤柱上的荷載，是由煤柱上覆巖

2、層重量及煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的。 如圖8-2所示，一單位煤住長(zhǎng)度上的總載荷P為：式中 煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力: 上述計(jì)算盡管經(jīng)過簡(jiǎn)化，以平面問題代替空間問題，以均質(zhì)的上覆巖層取代復(fù)雜的巖層賦存狀況，不考慮煤住邊緣部分會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中以及由于煤住邊緣部分破壞引起應(yīng)力向煤柱深部轉(zhuǎn)移，未涉及上覆巖層的移動(dòng)等。但迄今它仍為比較簡(jiǎn)單和實(shí)用的煤住載荷估算方法，并認(rèn)為平均應(yīng)是判斷煤柱載荷的重要參數(shù)。 （2）煤柱寬度的理論計(jì)算 護(hù)巷煤柱寬度的理論計(jì)算有按煤柱的允許應(yīng)力，煤柱能承受的極限載荷，以及按煤柱應(yīng)力分布等多種方法。各種方法的基本點(diǎn)都認(rèn)為：煤柱的寬度必須保證煤柱

3、的極限載荷y不超過人它的極限強(qiáng)度R。 煤柱的極限強(qiáng)度見75、76式，煤柱的寬度B計(jì)算式：2.煤柱的應(yīng)力分布 （1）一側(cè)采空煤柱（體）的彈塑性變形區(qū)及鉛直應(yīng)力的分布 假設(shè)采空區(qū)周圍的煤柱（體）處于彈塑性變形狀，煤柱的鉛直應(yīng)力y的分布如圖8-3中1所示。y隨著與采空去邊緣之間距離x的增大，按負(fù)指數(shù)曲線關(guān)系衰減。在高應(yīng)力作用下，從煤體（煤柱）邊緣到深部，都會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)（靠采空區(qū)側(cè)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的部分稱為破裂區(qū)）、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)（圖8-3）。彈塑性變形狀態(tài)下，煤柱（體）的鉛直應(yīng)力 y的分布如圖8-3中2所示。 煤柱（體）的承載能力，隨著遠(yuǎn)離煤體（煤柱）邊緣而明顯增長(zhǎng)。在距煤體（煤柱）邊緣一定寬度

4、內(nèi)，存在著煤柱（體）的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)，運(yùn)用巖體的極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值與煤體（煤柱）邊緣之間的距離x0為： 式中 在生產(chǎn)實(shí)際中，x0的變化范圍為320 m，一般為512m。應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化范圍為27m , 一般為35m。 （2）兩側(cè)采空煤柱的彈塑性變形區(qū)及鉛直應(yīng)力的分布 兩側(cè)均以采空的煤柱，其應(yīng)力分布狀態(tài)主要取決于回采引起的支承壓力影響距離L及煤柱寬度B，主要有三種類型： B2L時(shí)（圖8-4），煤柱中央的載荷為均勻分布，且為原巖應(yīng)力H。由于煤柱邊緣應(yīng)力集中，煤柱從邊緣到中央，一般仍為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，以及原巖應(yīng)力區(qū)。 2LBL時(shí)，在煤柱中央由于

5、支承壓力的疊加，應(yīng)力大于H，沿煤柱寬度方向應(yīng)力呈馬鞍形分布，彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布見圖8-5。 B70%的漿體稱為高水材料,高水材料流動(dòng)性好,可以長(zhǎng)距離水力輸送。 水體積比1000m，充填點(diǎn)用塑料充填袋儲(chǔ)集混合后的料漿，料漿凝固形成整體充填體。對(duì)于高水灰渣材料，可以采用活動(dòng)鋼模板替代塑料充填袋，活動(dòng)鋼模板反復(fù)交替使用。采用噴漿機(jī)風(fēng)力充填時(shí)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單并可隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)，輸送水平距離不宜超過200m。8.2 巷道圍巖卸壓 長(zhǎng)期以來，煤礦中進(jìn)行巷道維護(hù)得主要手段是對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)和對(duì)圍巖進(jìn)行加固。但在某些困難條件下，即使對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)和加固圍巖，巷道維護(hù)仍然很困難。如果采用人為方法改變巷道圍巖

6、應(yīng)力分布特征，巷道掘進(jìn)或受到采動(dòng)影響時(shí)，在巷道周邊形成的應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離航道周邊的圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，可以收到明顯改善巷道維護(hù)的效果。8.2.1 跨巷回采進(jìn)行巷道卸壓1.跨巷回采卸壓的機(jī)理 煤層開采以后，在煤層底板中形成一定范圍的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)（圖7-6）。位于煤層底板的巷道，若處于應(yīng)力增高區(qū)，將承受較大的集中應(yīng)力而破壞；處于應(yīng)力降低區(qū)，則易于維護(hù)。 根據(jù)采面不斷移動(dòng)的特點(diǎn)以及巷道系統(tǒng)優(yōu)化布置的原則，可在巷道上方的煤層工作面進(jìn)行跨采，使巷道經(jīng)歷一段時(shí)間的高應(yīng)力作用后，長(zhǎng)期處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)?？绮傻男Ч饕Q于巷道與上方跨采面的相對(duì)位置，即巷道與上部回采煤層間的法向距離z

7、，巷道與上部回采煤層煤柱（體）邊緣的水平距離x 2.跨巷回采的應(yīng)用及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 跨巷回采有兩種方式，即縱跨與橫跨。以走向長(zhǎng)壁工作面為例，跨越大巷和區(qū)段集中平巷時(shí)，跨采面掘進(jìn)方向與被跨采巷道軸向平行稱為縱跨?？畿S上、下山和采區(qū)石門時(shí)，跨采面掘進(jìn)方向與被跨采巷道軸向垂直稱為橫跨。 跨巷回采期間，巷道將順次受到跨采面的超前支承壓力和上覆巖層跨落的影響，劇烈影響范圍和程度與開采深度、圍巖的力學(xué)性質(zhì)及巷道與開采煤層的法向距離有關(guān)。只要與采空區(qū)煤壁邊緣的水平距離適當(dāng)，跨采后巷道可長(zhǎng)期處于應(yīng)力降低區(qū)。 （1）采面縱跨巖石集中平巷 采面縱跨巖石集中平行，其中測(cè)站1位于跨采面采空區(qū)下方，z=9.5m，x=8m

8、；測(cè)站2位于跨采面采空區(qū)一側(cè)煤柱邊緣的正下方，z=9.5m，x=0m。工作面跨采前，測(cè)站1與2處巷道變形特征相差不大；跨采期間，測(cè)站2巷道圍巖變形量比測(cè)站1大3倍；跨采后圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，測(cè)站2巷道圍巖變形速度比測(cè)站1大1倍左右。（2）采面橫跨石門 采面橫跨石門，石門中測(cè)站1，z=30m，x=60m；測(cè)站2，z=35m，x=28m。測(cè)站2與測(cè)站1相比，由于距上部煤層采空區(qū)上區(qū)段隔離煤柱水平距離較短，受煤柱傳遞的支承壓力的影響要大。因此，在未受到本區(qū)段跨采工作面的采動(dòng)影響時(shí)，巷道的圍巖變形速度比測(cè)站1稍高；跨采時(shí)受到冊(cè)向支承壓力和超前支承壓力的疊加影響作用，引起的圍巖變形量比測(cè)站1大2倍。 （

9、3）工作面跨越上山回采 工作面跨越上山回采時(shí)，是否保留區(qū)段煤柱及跨越上山回采的順序不同，對(duì)上山巷道的礦山壓力顯現(xiàn)影響極大。常見的跨越上山回采方式有以下幾種： 上山一側(cè)的采面，在另一側(cè)的采面距上山較遠(yuǎn)時(shí)就跨越上山，下區(qū)段工作面回采時(shí)將區(qū)段間保留煤柱全部回收。 跨采方法同上，但區(qū)段間保留煤柱。 一側(cè)采面先采至上山煤柱處停采，然后另一側(cè)采面再跨越上山回采，保留區(qū)段煤柱。 上述三種跨采方式情況下，被跨上山圍巖變形量與距區(qū)段煤柱距離的關(guān)系曲線分別如圖8-1中曲線1、2、3所示。兩翼工作面均不跨越上山，保留較寬的上山保護(hù)煤柱時(shí)，圍巖變形量變化不大，如圖中虛線4所示。 8.2.2 巷道圍巖開槽卸壓及松動(dòng)卸壓

10、 1.巷道周邊開槽（孔）對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響 在巖體中開掘巷道后，在地應(yīng)力較高，圍巖較松軟的情況下，圍巖破壞的范圍較大。導(dǎo)致集中應(yīng)力向未遭到破壞的圍巖深部轉(zhuǎn)移，在巷道周邊的圍巖中形成應(yīng)力降低區(qū)。 這種方式的卸壓過程是以巷道周邊巖體的完整結(jié)構(gòu)被破壞為代價(jià)的，在卸壓的同時(shí)巷道圍巖的塑性變形區(qū)范圍以及該區(qū)內(nèi)遭破壞巖體的塑性變形、擴(kuò)容膨脹變形明顯增大。而塑性變形區(qū)的范圍及變形量的大小正是巷道維護(hù)難易的關(guān)鍵，能否使巷道周邊的集中應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，在巷道周邊形成卸壓，又不擴(kuò)大巷道周邊塑性變形區(qū)的范圍，不使其產(chǎn)生較大的變形？研究表明：在巷道周邊開槽或鉆孔可同時(shí)起到卸壓和限制圍巖變形的目的。 采用邊界元法對(duì)

11、巷道周邊切縫前后圍巖中的應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。在圓形巷道側(cè)壓系數(shù)=0.5條件下，巷道周邊不切縫、兩幫切縫、頂?shù)浊锌p、頂?shù)准皟蓭屯瑫r(shí)切縫四種情況，巷道周邊切向應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖8-17所示。切縫部位周邊圍巖中切向應(yīng)力顯著降低，巷道其他部位的切向應(yīng)力也有一定程度的降低。 巷道周邊圍巖開槽卸壓的力學(xué)原理，是使原來作用于周邊圍巖的高應(yīng)力向卸壓區(qū)以外的巖體深部轉(zhuǎn)移。深部巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度。在應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)巖體得以保持穩(wěn)定。另一方面，結(jié)構(gòu)和完整性并未遭到完全破壞的卸壓區(qū)內(nèi)的圍巖，仍然存在一定的殘余強(qiáng)度，并向巖體自承結(jié)構(gòu)提供側(cè)向約束力，增加巖體自承結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而使圍巖的整體性

12、得到顯著提高。 2.巷道圍巖開槽（孔）卸壓法的應(yīng)用 在實(shí)際工程中，由于目前尚無合適的開槽工具，常用成排的大直徑鉆孔來替代。鉆孔卸壓的機(jī)理與開槽卸壓基本相同，鉆孔卸壓的效果主要取決于孔徑、孔距、孔深等參數(shù)。一般情況下，鉆孔直徑150350mm，鉆孔間距為鉆孔直徑的1.51.7倍，孔深610m。卸壓應(yīng)盡可能緊跟掘進(jìn)工作面，滯后距離一般不宜超過510m；或者超前采面，削弱采面超前支承壓力的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如圖8-18所示。 在巷道圍巖中開槽，不僅使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)；在巷道圍巖中開槽，不僅使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)；卸壓槽（縫）還為巷道圍巖

13、變形提供了補(bǔ)償空間，從而使巷道圍巖變形量減小。通常采用垂直切槽防治底鼓，卸壓效果主要取決于卸壓槽的寬度b、深度h，對(duì)于中硬巖層，槽寬b=200300mm。 德國(guó)埃森采礦研究中心對(duì)巷道底板的切槽深度與底板穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了研究（圖8-19）。當(dāng)切槽深度h小于行幫到切槽的間距a時(shí)，可將開槽后的底板視作從卸載槽下方受到橫向荷載p作用的巖石懸梁，承受彎曲應(yīng)力的作用（圖8-19(a)）。 由于這種受載條件下巖梁的抗彎強(qiáng)度很小，即使p值不大也可使底板向上翹曲，甚至向上破斷。當(dāng)切槽深度h大于行幫到切槽的間距a時(shí)，相當(dāng)于短梁受載的情況（圖8-19（b）,此時(shí)開槽后形成的巖塊不承受彎曲載荷，而承受剪切載荷。由于

14、巖層的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于承受彎曲時(shí)的抗拉強(qiáng)度，開槽后底板巖層具有較大的穩(wěn)定性。 3.巷道圍巖松動(dòng)爆破卸壓法的應(yīng)用 在巷道掘進(jìn)過程中，要在巷道周邊圍巖中形成密度很大、間距規(guī)整的成排卸壓鉆孔是很困難的。目前實(shí)際應(yīng)用中，主要利用鉆孔孔底藥壺爆破方法進(jìn)行限制性爆破，在圍巖中形成一個(gè)連續(xù)的松散、破碎帶，將支承壓力峰值轉(zhuǎn)移到圍巖深部.同時(shí)，已經(jīng)松散、破碎的圍巖體具有緩沖墊層作用。確定松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)應(yīng)以不破壞巷道與松散、破碎帶之間的圍巖完整性和支架穩(wěn)定性為原則。鉆孔松動(dòng)爆破卸壓技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外煤礦進(jìn)行了大量實(shí)踐，取得了較好的效果。圖8-20為我國(guó)盧嶺煤礦采用鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的鉆孔布置。 同時(shí)，已經(jīng)松散、破碎的圍

15、巖體具有緩沖墊層作用。確定松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)應(yīng)以不破壞巷道與松散、破碎帶之間的圍巖完整性和支架穩(wěn)定性為原則。鉆孔松動(dòng)爆破卸壓技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外煤礦進(jìn)行了大量實(shí)踐，取得了較好的效果。圖8-20為我國(guó)盧嶺煤礦采用鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的鉆孔布置。 國(guó)外一些研究認(rèn)為，鉆孔松動(dòng) 爆破雖可起到卸壓作用，但僅靠松動(dòng)爆破并不能有效地減少圍巖的收斂變形。其理由主要是：松動(dòng)爆破在巖體中形成大量裂隙，使作用在巷道周邊巖體上的支承壓力峰值轉(zhuǎn)移到圍巖深部。但轉(zhuǎn)移到深部巖體上的集中應(yīng)力仍可迫使深部巖體向巷道內(nèi)擠出，而已遭松動(dòng)破壞的巷道周邊巖體對(duì)于這種擠出變形只有很小的甚至沒有任何阻抗作用。 松動(dòng)爆破相當(dāng)于增加了巷道破碎圈的深度，不

16、僅不會(huì)使巷道收斂量減少，反倒使其增加。只有當(dāng)巖性較硬，松動(dòng)爆破后使巖體產(chǎn)生楔形巖塊之間的鎖固力能在整體上形成較大的“支護(hù)阻力”時(shí)，才會(huì)使巷道收斂量減少。 因此，單純依靠松動(dòng)爆破卸壓，一般效果并不理想，如將松動(dòng)爆破卸壓與松動(dòng)爆圈的圍巖加固結(jié)合起來，則可以取得很好的巷道維護(hù)效果，加固的方法可采用水泥注漿、化學(xué)注漿、錨噴支護(hù)、支架支護(hù)等。松動(dòng)爆破卸壓加固的方法已在我國(guó)煤礦中獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，卸壓注漿方法可使巷道底板的移近量平均減少90，松動(dòng)爆破與打封混凝土反拱聯(lián)合控制巷道底鼓也取得了同樣的效果。 俄羅斯煤炭工業(yè)部巷道棚式可縮性金屬支架支護(hù)規(guī)程規(guī)定的鉆孔、開槽、藥壺爆破、先松動(dòng)爆破卸載后注漿

17、加固、補(bǔ)償帶卸載等卸壓措施的合理使用范圍列于表8-2。當(dāng)圍巖強(qiáng)度小于表中規(guī)定的數(shù)值時(shí)，卸壓措施不能保證取得應(yīng)有效果；圍巖強(qiáng)度大于表中規(guī)定的數(shù)值時(shí)，則技術(shù)經(jīng)濟(jì)不合理。 8.2.3 利用卸壓巷硐進(jìn)行巷道卸壓 利用卸壓巷硐卸壓方法的實(shí)質(zhì)是，在被保護(hù)的巷道附近（通常是在其上部、一側(cè)或兩側(cè)），開掘?qū)ｉT用于卸壓的巷道或硐室。轉(zhuǎn)移附近煤層開采的采動(dòng)影響，促使采動(dòng)引起的應(yīng)力分布再次重新分布，最終使被保護(hù)巷道處于開掘卸壓巷硐而形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。 1.在巷道一側(cè)布置卸壓巷硐 當(dāng)巷道一側(cè)受到采動(dòng)影響時(shí)，靠近采空區(qū)一側(cè)的煤柱及巷道因受到集中應(yīng)力的影響而產(chǎn)生強(qiáng)烈變形和破壞。如在護(hù)巷煤柱中與巷道間隔一段距離掘一條卸壓巷

18、道，形成的窄煤柱稱為讓壓煤柱，寬煤柱稱為承載煤柱，巷道周圍的應(yīng)力分布將發(fā)生如圖8-21所表示的變化。 高集中應(yīng)力作用于遠(yuǎn)離巷道的承載煤柱，僅有很少的一部分應(yīng)力作用在巷道周邊的讓壓煤柱上，巷道實(shí)際上已處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。同時(shí)，承載煤柱在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生的大量變形也被卸壓巷道的空間所吸收，可使被保護(hù)巷道的變形量減少7090。 2.在巷道頂部布置卸壓巷硐 巷道頂部的卸壓巷硐布置在被保護(hù)巷道與上部開采煤層之間，使被保護(hù)巷道避開上部煤層跨采時(shí)產(chǎn)生的劇烈影響，處于卸壓巷硐形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。在巷道頂部布置卸壓巷硐時(shí)，卸壓巷硐的寬度L及其被保護(hù)巷道的垂距h是影響卸壓效果的主要參數(shù)。 一般情況下，卸壓巷硐與被保護(hù)巷道之間的垂距應(yīng)小于卸壓巷硐底板破壞深度與至少2m的安全巖柱之和。依據(jù)卸壓巷硐與被保護(hù)巷道間的垂距和支承壓力傳遞影響角，卸壓巷硐的寬度應(yīng)確保被保護(hù)巷道在其形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。兗州鮑店煤礦煤層距膠帶輸送機(jī)大巷2060m，在膠帶輸送機(jī)硐室頂部布置卸壓硐室（圖8-22）。 在卸壓巷道2內(nèi)向兩側(cè)松動(dòng)爆破后形成19m寬的卸壓帶，將膠帶輸送機(jī)硐室籠罩在卸壓帶下方形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，卸壓后膠帶輸送機(jī)硐室圍巖頂?shù)?、兩幫相?duì)移近量分別是相鄰未卸壓大巷的1/2和1/7。 淮南新集煤礦