深部巷道圍巖控制教案資料

深部巷道圍巖控制1.概述隨著礦井開采深度、強(qiáng)度的增加，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，當(dāng)巖體應(yīng)力達(dá)到甚至超過巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，有關(guān)巖體力學(xué)科學(xué)與工程的若干問題由量變逐漸發(fā)生質(zhì)的變化，造成資源開采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險(xiǎn)性增加，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。巷道維護(hù)困難已成為制約煤礦安全高效開采的瓶頸，巷道圍巖控制是煤礦開采中急待解決的關(guān)鍵問題之一。深部軟巖成為重點(diǎn)1.1

背景和意義深部巷道與深井是兩個(gè)不同的概念。一般認(rèn)為：礦井深度大于800m為深井。而深部巷道是由礦井深度和巖性兩個(gè)因素決定。礦井巷道由淺部過渡到深部的深淺部界限稱為“極限深度”。圍巖單軸抗壓強(qiáng)度/MPa巷道極限深度/m<2015020~30300~40030~60650~750>60>1000

極限深度以上支護(hù)簡(jiǎn)單、易維護(hù)；以下則明顯困難。表1-1巷道極限深度表1.2“深部巷道”的概念垂直應(yīng)力(Brown&Hoek,1978)開采深度巖層因自重引起的垂直應(yīng)力隨深度增加呈線性增大。1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)水平應(yīng)力水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比(Brown&Hoek,1978)開采深度埋深≤1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值大約為1.5-5.0埋深≥1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值逐漸趨于集中，約為0.5-2.01.3巖性與礦壓顯現(xiàn)開采深度平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比我國(guó)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)主應(yīng)力數(shù)值/MPa與東西方向夾角/與垂直方向夾角/與南北方向夾角/138.1326.5114.2100.1228.3563.928.579.331.6185.5104.114.8孫村礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)測(cè)試地點(diǎn)水平標(biāo)高主應(yīng)力/MPaP1/P2/P3主應(yīng)力方向（夾角）/xyz3213面－46016.55108198513.653071112.5-1.926787.5231215W（石門）－46316.074745101.511.7742.8132823.5187.77613.7協(xié)莊礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)（1）塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍顯著增加；（2)兩幫和頂、底角破碎區(qū)顯著增大，圍巖變形顯著增加；

原因：水平應(yīng)力增加，兩幫煤軟，角部應(yīng)力集中。（3）底鼓嚴(yán)重；（4)持續(xù)蠕變。

1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)2.深部巷道圍巖控制的基本途徑2.1影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素

經(jīng)典的Kastner巷道圍巖特性曲線方程：式中：R－塑性區(qū)半徑；a－巷道半徑；P0－原巖應(yīng)力；Pi－支護(hù)阻力；c－巖石內(nèi)聚力；φ－巖石內(nèi)摩擦角；u0－巷道周邊位移；G－圍巖剪切模量。2.1影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素

影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素有四：巷道所在位置的圍巖應(yīng)力（P0）、圍巖力學(xué)性能（c、φ、G）、支護(hù)阻力（Pi）和巷道斷面形式與尺寸，這也是控制巷道圍巖變形的4個(gè)主要技術(shù)途徑。050100150200250300350花崗巖石灰?guī)r砂巖砂頁(yè)巖頁(yè)巖巷道周邊彈塑性位移u0/MPacφ煤2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

隨著巷道周邊圍巖應(yīng)力增加，巷道表面位移及塑性區(qū)范圍顯著增大，降低巷道圍巖應(yīng)力對(duì)保持巷道圍巖穩(wěn)定具有重要作用。改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的主要技術(shù)途徑包括：合理布置巷道、巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移。（1）采動(dòng)引起的應(yīng)力重新分布(高抽布置)

圖2-1

已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布Ⅰ－－冒落帶；Ⅱ－裂隙帶；Ⅲ－變曲下圖4-1已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱沉帶；A－原始應(yīng)力區(qū)；B1、B2－應(yīng)力增高區(qū)、C－應(yīng)力降低區(qū)；D－應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)2.2.1合理布置巷道

時(shí)間、空間上減少巷道承受支承壓力影響；巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)；合理設(shè)計(jì)煤柱尺寸；考慮最大水平應(yīng)力的影響。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

圖2-2留區(qū)段煤柱時(shí)回采空間垂直應(yīng)力等值線分布2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.1合理布置巷道（雙巷及迎采）圖2-3

煤體與采空區(qū)交界處底板垂直應(yīng)力等值線分布圖2-4煤柱下方底板垂直應(yīng)力等值線分布2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.1合理布置巷道2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.1合理布置巷道（2）巷道布置的原則：1）空間上盡量避免支承壓力的強(qiáng)烈影響、疊加影響和多次影響；時(shí)間上盡量縮短支承壓力影響時(shí)間。2）巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)。3）采用無煤柱開采，必須留煤柱時(shí)在保證煤柱穩(wěn)定的條件盡可能小。4）如果需要留煤巷保護(hù)巷道，所留護(hù)巷煤柱尺寸應(yīng)使巷道不受支承壓力影響或影響較小。5）避免在煤柱上、下方布置巷道。合理選擇底板巖巷與煤柱邊緣的水平距離x、與煤層垂直距離Z。6）在圍巖受采動(dòng)影響穩(wěn)定后再掘巷道。7）巷道軸線方向盡量與最大水平主應(yīng)力方向平行，避免與之垂直。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.1合理布置巷道

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移巷道頂?shù)装寰蛳锏膽?yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)煤層上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)底板松動(dòng)爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)巷道迎頭超前鉆孔的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(1)巷道頂板掘巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移對(duì)深部巷道而言，在頂板中或底板中開掘巷道并松動(dòng)爆破，形成卸壓帶，從而將圍巖應(yīng)力往深部轉(zhuǎn)移，降低了被保護(hù)巷道圍巖淺部的應(yīng)力，這是一種巷道保護(hù)的有效方法。頂板或底板中開掘的大面積卸壓帶(1)巷道底板掘巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)水平應(yīng)力的轉(zhuǎn)移效果受采動(dòng)影響期間，不采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)時(shí)，底板最大水平應(yīng)力為48MPa。采用轉(zhuǎn)移技術(shù)后，主硐室底板的水平應(yīng)力減小為15MPa左右。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移垂直應(yīng)力硐室受采動(dòng)影響期間，如不采用底板掘巷應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)，主要硐室周邊的垂直應(yīng)力最大為40MPa左右。采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)后，主要硐室周邊的垂直應(yīng)力降低為7.5MPa左右。效果十分明顯。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(1)巷道底板掘巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(1)巷道底板掘巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移工業(yè)性試驗(yàn)方案蔣莊煤礦工程實(shí)例2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(1)巷道底板掘巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移蔣莊煤礦工程實(shí)例圍巖變形實(shí)測(cè)（1）采動(dòng)影響下，圍巖變形不明顯。（2）硐室兩幫相對(duì)移近量在20mm之內(nèi)。（3）底鼓量在10mm左右。(2)上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)基本原理：下部煤層先行開采后，上部煤層因處于裂隙帶或緩沉帶內(nèi)，上部煤層的應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，此區(qū)域的應(yīng)力顯著降低。將上部煤層的巷道和工作面布置在下部煤層該區(qū)域以內(nèi)，巷道和工作面處于應(yīng)力已經(jīng)轉(zhuǎn)移的低應(yīng)力區(qū)，可以顯著降低支護(hù)難度，有效提高礦井的生產(chǎn)安全水平。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移

上行開采理論計(jì)算模型：下部煤層可設(shè)定為帶狀無限長(zhǎng)板，通過復(fù)變函數(shù)方法對(duì)彈性帶狀無限長(zhǎng)板應(yīng)力問題進(jìn)行求解，建立以下力學(xué)模型。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(2)上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移

采空區(qū)上方垂直應(yīng)力有大幅度減少，距離采空區(qū)越近減少幅度越大，隨著遠(yuǎn)離采空區(qū)逐步增大，逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力。煤柱附近垂直應(yīng)力的值較大，且均為壓應(yīng)力；隨著距離的增加，應(yīng)力逐漸減小，逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(2)上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(2)上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移孫村煤礦工程實(shí)例二煤處于中裂隙帶上方、弱裂隙帶底部，只產(chǎn)生離層裂隙及輕微的周期性斜交裂隙，二煤及其頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)保持完整，不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(2)上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況（1）在下行開采時(shí)，二煤工作面由于頂板壓力大，煤壁片幫與機(jī)道冒漏頂現(xiàn)象十分嚴(yán)重，需要水力膨脹錨桿超前護(hù)頂、坑木穿頂，頂板管理極其困難，推進(jìn)速度很慢。四煤采用上行開采后，二煤回采工作面復(fù)合頂板穩(wěn)定，工作面無冒漏頂事故發(fā)生，平均原煤?jiǎn)萎a(chǎn)與推進(jìn)速度提高到1.88倍，平均推進(jìn)速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均單產(chǎn)由1.8～2.0萬噸/月提高到4.2萬噸/月左右，顯著提高了工作面單產(chǎn)、降低了材料消耗。

（2）二煤具有強(qiáng)烈沖擊傾向，上行開采完全消除了沖擊危險(xiǎn)。（3）解決了原來二煤工作面推進(jìn)慢，制約四煤開采的被動(dòng)局面，緩解了采掘接續(xù)，大幅度提高了礦區(qū)煤炭產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益，礦井利稅取得歷史最好水平。孫村煤礦工程實(shí)例

(3)底板松動(dòng)爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)在巷道底板中布置鉆孔，并進(jìn)行藥壺爆破，在巷道底板中產(chǎn)生圍巖弱化區(qū)，將集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖較深部。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移

當(dāng)發(fā)生內(nèi)部爆破作用時(shí)，在圍巖中形成爆破空腔、壓碎圈、裂隙圈及震動(dòng)圈。裂隙圈的大小是影響應(yīng)力轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(3)底板松動(dòng)爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移

2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

與原絞車房不進(jìn)行任何處理時(shí)的底鼓量相比，底鼓量明顯降低，約為不進(jìn)行處理時(shí)底鼓量的1/3。平頂山六礦工程實(shí)踐示意圖550m、泥巖、煤層圍巖

(3)底板松動(dòng)爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移

(4)巷道迎頭超前鉆孔的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)1——巷道掘進(jìn)頭

2——應(yīng)力轉(zhuǎn)移鉆孔1—掘進(jìn)巷道2—超前鉆孔3—鉆孔前垂直應(yīng)力分布曲線4—鉆孔后垂直應(yīng)力分布曲線2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移

(4)巷道迎頭超前鉆孔的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

分別打4、6、8、12、14、16m鉆孔時(shí)，圍巖高應(yīng)力（30MPa、40MPa）位置的變化情況。應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果相當(dāng)明顯。平頂山十一礦工程實(shí)踐中不同鉆孔長(zhǎng)度時(shí)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果比較：2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

(4)巷道迎頭超前鉆孔的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)

采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移前采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移后2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移（5）相關(guān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)1)開槽孔巷道周邊開槽孔后的應(yīng)力分布Ⅰ－圍巖應(yīng)力較低區(qū)；Ⅱ－應(yīng)力升高區(qū)；Ⅲ－原巖應(yīng)力區(qū)開槽后應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。槽孔可在底板、兩側(cè)或全斷面。2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移（5）相關(guān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2）松動(dòng)爆破2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）

2.2.2巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移3）巷道一側(cè)或兩側(cè)布置巷峒（5）相關(guān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

巷道圍巖塑性區(qū)范圍和周邊位移隨著圍巖力學(xué)性能劣化而顯著增大。兩種方法：注漿加固；高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿支護(hù)系統(tǒng)。（1）注漿加固穩(wěn)定圍巖機(jī)理

提高圍巖裂隙面的變形剛度和抗剪強(qiáng)度漿液固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)骨架作用轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)制減小巷道圍巖破裂區(qū)封閉水源提高錨桿錨固力2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

2.3.1圍巖注漿加固（2）注漿材料及性能

注漿材料主要有兩大類：以水泥為主的水泥漿液和以各種化學(xué)材料為主的化學(xué)漿液：水泥漿液主要有：?jiǎn)我核酀{、水泥－水玻璃雙液漿、ZKD高水速凝材料等?；瘜W(xué)漿液主要有：丙烯酰胺、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸鹽等。注漿材料選擇遵守兩大基本原則：技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

2.3.1圍巖注漿加固（2）注漿材料及性能2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

2.3.1圍巖注漿加固各材料的優(yōu)缺點(diǎn)：化學(xué)漿液：漿液凝結(jié)速度快、流動(dòng)性好、充填飽滿、凝結(jié)破碎圍巖效果好。價(jià)格較高。在困難復(fù)雜條件下使用好。水泥漿液：價(jià)格便宜、在條件適宜時(shí)使用效果較好。但它的含水量大，結(jié)石率低，易泌水，對(duì)于泥巖等軟弱巖層有泥化、弱化的作用，不利于巖層穩(wěn)定。ZKD高水速凝材料：價(jià)格相對(duì)較低、水灰比高、速凝且可調(diào)、早期強(qiáng)度高、流動(dòng)滲透性好、與泥粘結(jié)強(qiáng)度高、具有微膨脹性、適用范圍較廣。（3）圍巖超前預(yù)注漿（1）圍巖松軟破碎、隨掘隨冒時(shí)使用；（2）超前迎頭鉆孔注漿；（3）地應(yīng)力特別大時(shí)難以注入。2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

2.3.1圍巖注漿加固2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

超前預(yù)注漿孔布置（3）圍巖超前預(yù)注漿結(jié)合大陽(yáng)煤礦3100孤島工作面工程實(shí)例2.3.1圍巖注漿加固2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

（3）圍巖超前預(yù)注漿圍巖控制效果：2.3.1圍巖注漿加固（4）圍巖滯后注漿

巖石變形與滲透關(guān)系曲線

滯后時(shí)間：圍巖裂隙發(fā)展變慢前后或進(jìn)入掘后穩(wěn)定期不久注漿孔深度：超過破碎區(qū)，一般2m左右。注漿壓力：不超過巖石單軸抗壓強(qiáng)度的1／3，最高不超過3MPa。2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

2.3.1圍巖注漿加固2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

(a)1.0m深處（b）2.0m深處（c）3.0m深處(a)1.0m深處（b）2.0m深處（c）3.0m深處圍巖控制效果：（4）圍巖滯后注漿結(jié)合山西晉城沁和能源集團(tuán)永安煤礦工程實(shí)例注漿前鉆孔窺視儀觀測(cè)結(jié)果注漿后鉆孔窺視儀觀測(cè)結(jié)果2.3.1圍巖注漿加固2.3.2高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化作用錨固體C、、C*、*隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度t的增加而提高表2-1不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞前的C、值

錨桿支護(hù)強(qiáng)度t

/MPa00.060.080.110.140.170.22等效內(nèi)聚力C/MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效內(nèi)摩擦角/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4錨桿作用：控制錨固區(qū)內(nèi)的巖層離層。錨索作用：控制錨固區(qū)外的巖層離層。

表2-2不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞后的C*、*值

錨桿支護(hù)強(qiáng)度σt

/MPa00.060.080.110.140.170.22等效內(nèi)聚力C*/MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940.021等效內(nèi)摩擦角*/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.42.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化作用2.3.2高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)錨固體應(yīng)力應(yīng)變曲線圖注：曲線上數(shù)字為錨桿支護(hù)強(qiáng)度σt（MPa）錨固體強(qiáng)度隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度σt的提高而得到強(qiáng)化，達(dá)到一定程度就可保持圍巖穩(wěn)定。

2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化作用2.3.2高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)

2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

(c)60kN(d)100kN（a）30kN（b）40kN預(yù)緊力在頂板產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)預(yù)緊力限制錨固區(qū)內(nèi)外的徑向張拉破壞。高預(yù)緊力在頂板形成壓應(yīng)力區(qū)，并且當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定程度，可以消除頂板的拉破壞，從而顯著的降低深部巷道變形破壞特征的顯現(xiàn)敏感性。錨桿支護(hù)三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：(1)預(yù)緊力2.3.2高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)

2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

錨桿支護(hù)阻力可有效增加圍壓，提高屈服后的巖石強(qiáng)度。阻力越大，效果越明顯，近而顯著提高深部巷道圍巖的承載能力。(2)支護(hù)阻力錨桿長(zhǎng)度可一定程度上擴(kuò)大有效錨固區(qū)范圍。有效減少深部巷道錨固區(qū)內(nèi)巖體產(chǎn)生碎漲變形的破碎區(qū)范圍。(3)錨桿長(zhǎng)度2.3.2高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)2.3基本途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）

2.3.2高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)

（1）以控制錨固區(qū)外的巖層離層為準(zhǔn)則，來確定錨索的布置方式和主要支護(hù)參數(shù)。（2）不能單純地以一般的懸吊作用來計(jì)算錨索的支護(hù)參數(shù)，而應(yīng)將錨桿已有的加固作用考慮進(jìn)去。確定錨索支護(hù)參數(shù)的依據(jù)：2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）長(zhǎng)期以來，巷道金屬支架支護(hù)方式在我國(guó)煤礦中占有較大的比重。在巷道圍巖松軟、受到采動(dòng)影響、礦井深度增加等情況下，采用金屬支架的支護(hù)方式仍是一種十分有效的方式。因此，金屬支架在煤礦中的使用量還將存在很大的發(fā)展空間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，支架的實(shí)際工作阻力經(jīng)常遠(yuǎn)低于理論承載能力，原因有支架選型和結(jié)構(gòu)不合理、型鋼加工成型質(zhì)量低劣、支架之間缺少拉桿而失穩(wěn)等。但最主要的原因是連接件質(zhì)量普遍低劣和支架沒有實(shí)施壁后充填。2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：改善支護(hù)型鋼的材質(zhì)、發(fā)展型鋼熱處理技術(shù)選擇合適的型鋼斷面繼續(xù)改進(jìn)連接件性能采用拉桿，改善背板，有條件時(shí)發(fā)展架后充填技術(shù)，增加支架的整體穩(wěn)定性和承載能力針對(duì)具體條件，選用或研制合適的架型，確定合理的支護(hù)參數(shù)2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）（1）剛性金屬支架（梯形剛性金屬支架）2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：（1）剛性金屬支架（拱形剛性金屬支架）2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：（2）U型鋼可縮性支架（U型鋼可縮性支架形式）三心拱直腿半圓拱2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：（2）U型鋼可縮性支架（U型鋼可縮性支架形式）曲腿半圓拱馬蹄形2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：（2）U型鋼可縮性支架（U型鋼可縮性支架形式）圓形環(huán)形2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：（2）U型鋼可縮性支架（U型鋼可縮性支架連接件）雙槽夾板式連接件螺桿夾板式連接件約束夾緊器螺栓連接件2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：（2）U型鋼可縮性支架（U型鋼可縮性支架連接件）單楔式雙楔式耳楔式楔式連接件2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4.1提高支護(hù)阻力所需要解決的問題：2.4.2支架壁后充填技術(shù)不采用壁厚充填時(shí)存在的問題：目前采用的巷道掘進(jìn)和支護(hù)工藝，都不可避免地在支架背后形成不同尺寸的空穴。若支架頂部有架后空間，當(dāng)受到圍巖的側(cè)向壓力時(shí)，拱頂會(huì)向上彎曲，支架呈現(xiàn)尖桃形破壞。如果支架腿部存在空穴，該處將產(chǎn)生附加彎矩。特別是當(dāng)可縮性構(gòu)件處存在空穴時(shí)，會(huì)使連接件損壞、棚腿彎曲破壞，如果支架頂部受集中載荷，支架拱頂很容易壓平而嚴(yán)重?fù)p壞。2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）支架壁厚充填及相應(yīng)的輔助技術(shù)措施2.4基本途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）由集中載荷轉(zhuǎn)變?yōu)榫驾d荷由被動(dòng)支護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù)所能達(dá)到的效果顯著提高支架的承載能力賦予支架一定可縮量顯著提高支架的初撐力、增阻速度和支護(hù)阻力支架能承受高壓控制軟巖巷道的強(qiáng)烈變形2.4.2支架壁后充填技術(shù)2.5基本途徑四（優(yōu)化巷道斷面）巷道斷面形狀及尺寸不合理，將會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力分布不均勻、礦壓顯現(xiàn)加劇、幫部變形增大、出現(xiàn)底鼓等問題。在礦井進(jìn)入深部時(shí)，這些問題將會(huì)被放大，導(dǎo)致巷道支護(hù)困難，因此，需要選擇合適的巷道斷面及尺寸?？梢姡趯?duì)深部巷道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)巷道所處位置的圍巖力學(xué)特性對(duì)巷道斷面及尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使巷道盡量處于均勻受壓狀態(tài)，相應(yīng)的巷內(nèi)支護(hù)體將處于受載較小、均勻承載狀態(tài)，從而保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。3.深部巷道圍巖控制的突出難點(diǎn)3深部巷道圍巖控制的突出難點(diǎn)深部巷道圍巖控制兩個(gè)難點(diǎn)巷道底鼓持續(xù)蠕變3.1.1深部巷道底鼓機(jī)理

3.1深部巷道底鼓特征及控制原則

（1）圍巖不均勻的整體下沉和局部上升：高應(yīng)力區(qū)下沉、應(yīng)力降低區(qū)上升。圖3.1相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果u1、u2、u3、u4、u5——下沉曲線

D1、D2、D3——破斷曲線

巷道兩幫下沉引起底鼓：兩幫下沉、底角破壞，水平應(yīng)力擠壓，底板淺部鼓起，頂板下沉、離層。（a）（b）圖3.2兩幫下沉與底鼓關(guān)系3.1深部巷道底鼓特征及控制原則3.1.1深部巷道底鼓機(jī)理

3.1.2深部巷道底鼓特征

深部巷道在高地應(yīng)力作用下，受兩幫壓模效應(yīng)、原巖應(yīng)力、采動(dòng)支承應(yīng)力、水及底板巖性等單個(gè)或多個(gè)因素綜合影響,導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力惡化，巷道底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、擴(kuò)容、膨脹,形成底鼓，底鼓現(xiàn)象已經(jīng)成為深部礦井中比較常見的礦壓顯現(xiàn)。深部巷道底鼓特征表現(xiàn)為“兩點(diǎn)三區(qū)”，如圖3.3所示。3.1深部巷道底鼓特征及控制原則3.1深部巷道底鼓特征及控制原則由圖3.3可見:底板存在著零位移點(diǎn)，即從巷道底板臨空面向深部依分布著上升、壓縮煤巖層。底板存在著零應(yīng)變點(diǎn),即從巷道底板臨空面向深部依次分布著拉應(yīng)變、壓應(yīng)變煤巖。

以零位移點(diǎn)、零應(yīng)變點(diǎn)為界，從底板表面向下，將采動(dòng)巷道底板分為：拉應(yīng)變上升區(qū)、拉應(yīng)變壓縮區(qū)、壓應(yīng)變壓縮區(qū)。圖3.3深部巷道底鼓特征3.1.2深部巷道底鼓特征圖3-4巷道底板垂直位移No——零位移點(diǎn)；N——零應(yīng)變點(diǎn)圖3-3巷道底板深基點(diǎn)位移3.1深部巷道底鼓特征及控制原則底板中心線上的垂直位移圖3-8各區(qū)段分布載荷在巷道底板中心線上引起的垂直位移圖3-9巷道底板中心線上總的垂直位移3.1深部巷道底鼓特征及控制原則3.1.3深部巷道底鼓控制原則

3.1深部巷道底鼓特征及控制原則

原則一：加固巷道底板控制底鼓；原則二：加固巷道幫角控制底鼓。

（1）加固底板

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)控制底鼓的方法一般都是圍繞底板進(jìn)行的。作用是：增加底板變形阻力、提高底板圍巖強(qiáng)度、降低底板淺部應(yīng)力。方法是：底板錨桿、增加底梁（底拱）、底板開槽卸壓、底板注漿等，如圖3.4、3.5所示。3.1深部巷道底鼓特征及控制原則圖3.4錨注底板加固零位移點(diǎn)零應(yīng)變點(diǎn)

底板加固范圍應(yīng)符合“兩點(diǎn)三區(qū)”分布規(guī)律，即錨桿長(zhǎng)度或注漿孔應(yīng)深入底板巖層“零位移點(diǎn)”以下,并且要錨固密實(shí)，錨固力要大于零位移點(diǎn)以上巖層的上鼓力。3.1.3深部巷道底鼓控制原則

（1）加固底板3.1深部巷道底鼓特征及控制原則3.1.3深部巷道底鼓控制原則

圖3.5反底拱梁底板加固反底拱梁底板加固應(yīng)能控制底板中零位移點(diǎn)以上松散巖層所提供的上升壓力，才能達(dá)到控制底鼓的目的。反底拱（1）加固底板3.1深部巷道底鼓特征及控制原則

（2）加固兩幫和底角受掘巷、采動(dòng)應(yīng)力等影響，回采巷道圍巖塑性區(qū)首先從兩幫軟弱煤體及應(yīng)力集中的幫角發(fā)生、發(fā)展，而控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，可以有效限制圍巖變形破壞。在掘巷初期加強(qiáng)兩幫支護(hù)強(qiáng)度并輔之以底角錨桿，可有效阻止底角塑性區(qū)發(fā)展和底角巖體塑性流動(dòng)，減少兩幫下沉。工程試驗(yàn)的成功，也驗(yàn)證了該控制技術(shù)的科學(xué)性和可行性。3.1.3深部巷道底鼓控制原則

3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.1深部巷道蠕變控制

深部巷道表現(xiàn)出高應(yīng)力、大變形、強(qiáng)烈底鼓、持續(xù)蠕變的特點(diǎn)，圍巖不能穩(wěn)定，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全。

合理一次支護(hù)：有限讓壓（高延伸率錨桿、可縮支架）、有控卸壓。

合理二次支護(hù)：蠕變基本停止、圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.2合理的一次支護(hù)

合理一次支護(hù)的兩種方法：（1）有限讓壓合理控制圍巖技術(shù)；錨噴網(wǎng)、可縮性金屬支架（2）有控主動(dòng)卸壓技術(shù)3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.2合理的一次支護(hù)

（1）有限讓壓一次支護(hù)3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.2合理的一次支護(hù)（1）有限讓壓一次支護(hù)隨一次支護(hù)強(qiáng)度的增加，圍巖塑性區(qū)范圍迅速減??；一定階段后，塑性區(qū)減小趨緩，如下圖。變化拐點(diǎn)的支護(hù)強(qiáng)度為合理的一次支護(hù)強(qiáng)度。塑性區(qū)半徑與支護(hù)強(qiáng)度關(guān)系3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.2合理的一次支護(hù)（2）有控卸壓一次支護(hù)放矸卸壓支護(hù)技術(shù)卸壓前后圍巖的應(yīng)力分布3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.2合理的一次支護(hù)（2）有控卸壓一次支護(hù)

有控卸壓應(yīng)使塑性區(qū)半徑控制在“臨界塑性區(qū)半徑”附近，并將此作為有控卸壓的判定準(zhǔn)則。

臨界塑性區(qū)半徑3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.3合理的二次支護(hù)

深井、軟巖巖巷產(chǎn)生大范圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)難以避免，一次支護(hù)為讓壓支護(hù)，巷道圍巖達(dá)到較小變形速度下的力學(xué)平衡，充分釋放圍巖變形能、發(fā)揮圍巖承載力；二次支護(hù)減少巷道圍巖偏應(yīng)力，促進(jìn)圍巖應(yīng)力向長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度和流變停止的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，使圍巖長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。這樣，可避免圍巖在高應(yīng)力狀態(tài)下再次應(yīng)變軟化與蠕變劣化導(dǎo)致的圍巖狀態(tài)惡化、承載力降低。3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.3合理的二次支護(hù)

二次支護(hù)后巷道圍巖分為粘塑性破碎區(qū)、粘塑性應(yīng)變軟化區(qū)和粘彈性區(qū)。

粘彈性區(qū)巖體的流變力學(xué)一維模型為H—K體三元件粘彈性模型（三維流變模型采用類比法由一維模型導(dǎo)出）。

粘塑性區(qū)圍巖體滿足莫爾——庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，受長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用影響，粘結(jié)力C(t)、C*(t)、內(nèi)摩擦角

(t)為時(shí)間t的函數(shù)變量，不考慮內(nèi)摩擦角

(t)的應(yīng)變軟化。3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.3合理的二次支護(hù)（1）破碎區(qū)內(nèi)非錨固區(qū)破碎區(qū)內(nèi)錨固區(qū)邊界r=Rm（錨桿錨固端交界面

），處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的粘塑性破碎區(qū)徑向應(yīng)力：—

巖體殘余強(qiáng)度階段的長(zhǎng)期強(qiáng)度粘結(jié)力；

3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.3合理的二次支護(hù)（2）二次支護(hù)提供的徑向平衡應(yīng)力

二次支護(hù)后其應(yīng)力也由靜力平衡方程和摩爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則求得，當(dāng)r＝Rm在錨固區(qū)外邊界位置處，巖體處于流變停止、穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，促進(jìn)深部圍巖體穩(wěn)定的徑向應(yīng)力為：——二次支護(hù)后錨固區(qū)圍巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定時(shí)的粘結(jié)力；

——二次支護(hù)后錨固區(qū)圍巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定時(shí)的內(nèi)摩擦角。

3.2深部巷道蠕變特性及控制原則3.2.3合理的二次支護(hù)（3）巷道穩(wěn)定條件

二次支護(hù)在錨固區(qū)外邊界位置r＝Rm處提供的徑向穩(wěn)定應(yīng)力大于或等于非錨固區(qū)內(nèi)在r＝Rm處所需的徑向應(yīng)力值時(shí)，巷道可處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)即：3.2深部巷道蠕變特性及控制原則