礦山壓力與巖層控制第七章巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

礦山壓力與巖層控制第七章巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)巷道圍巖應力及變形規(guī)律一、受采動影響巷道的圍巖應力（一）原巖體內掘進巷道引起的圍巖應力

巷道開掘后原巖應力重新分布，巷道圍巖內出現(xiàn)應力集中。如果圍巖應力小于巖體強度，圍巖仍處于彈性狀態(tài)，圍巖應力可用彈性力學方法按平面應變問題計算。雙向等壓原巖應力場內圓形巷道圍巖應力分布如圖7-1所示。

第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-1圓形巷道圍巖彈性變形應力分布

第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果圍巖應力大于巖體強度，巷道圍巖會產生塑性變形，從巷道周邊向圍巖深處擴展到一定范圍，出現(xiàn)塑性變形區(qū)，成為彈塑性介質。

在塑性區(qū)內圈（A）圍巖強度明顯削弱，低于原始應力γH，圍巖發(fā)生破裂和位移稱為破裂區(qū)，也叫卸載和應力降低區(qū)。塑性區(qū)外圈（B）的應力高于原始應力，它與彈性區(qū)內應力增高部分均為承載區(qū)，也稱應力增高區(qū)。再向圍巖深部即為處于穩(wěn)定狀態(tài)的原始應力區(qū)。第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-2圓形巷道圍巖塑性變形區(qū)及應力分布

A—破裂區(qū)；B—塑性區(qū)；C—彈性區(qū)；D—原始應力區(qū)第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）回采工作面周圍支承壓力分布煤層開采過程破壞原巖應力場的平衡狀態(tài)，引起應力重新分布。對于受到采動影響的巷道，它的維護狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響以外，主要取決于采動影響。煤層開采以后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶（圖7-3）。第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-3采空區(qū)應力重新分布概貌

1—工作面前方超前支承壓力2、3—工作面傾斜方向殘余支承壓力4—工作面后方采空區(qū)支承壓力第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

工作面超前支承壓力影響范圍為40～80m，支承壓力峰值位置距煤壁一般為4～8m應力增高系數(shù)為2～4。工作面傾斜方向固定性支承壓力影響范圍一般為15～40m，支承壓力峰值位置距煤壁一般為15～20m，應力增高系數(shù)為2～3。相鄰的采空區(qū)所形成的支承壓力會在某些地點發(fā)生相互疊加，稱為疊合支承壓力。例如，在上下區(qū)段之間，上區(qū)段采空區(qū)形成的殘余支承壓力與下區(qū)段工作面超前支承壓力疊加，在煤層向采空區(qū)凸出的拐角，形成很高的疊合支承壓力，應力增高系數(shù)可達5～7，有時甚至更高(圖7-4)。第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-4煤層凸出角處疊加支承壓力

第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）采動引起的底板巖層應力分布煤層開采引起回采空間周圍巖層應力重新分布，不僅在回采空間周圍煤體（柱）上造成應力集中，還會在頂板與底板巖層內形成應力的重新分布。在底板巖層一定范圍內應力的重新分布，成為影響底板巷道布置和維護的重要因素。煤層頂?shù)装逯兄С袎毫谐潭入S距開采煤層距離的增加而降低。第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）一側采空圖7-5三種典型的煤柱載荷作用下底板巖層的應力分布第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）兩側采空，煤柱寬B圖7-5三種典型的煤柱載荷作用下底板巖層的應力分布第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（c）兩側采空，煤柱寬2B圖7-5三種典型的煤柱載荷作用下底板巖層的應力分布第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-6上部煤層采動遺留保護煤柱引起底板巖層內應力分布第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月二、相鄰巷道的應力分布及巷道間距的確定（一）巷道圍巖應力影響帶巷道開掘以后，巷道周圍巖體內的應力重新分布。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。第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

在靜水壓應力場中，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，斷面相同兩圓形巷道的間距D為6r＜D＜12r半徑不同兩圓形巷道的間距D為6R＜D＜6（R＋R）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。第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）巷間巖柱的穩(wěn)定性巖柱的穩(wěn)定性主要取決于巖柱的載荷和巖柱強度。當巖柱所承受的載荷超過巖柱的承載能力時，巖柱是不穩(wěn)定的。第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）相鄰巷道間合理距離我國煤礦目前采深條件下，大巷間的距離以20～40m為宜，圍巖較穩(wěn)定時取小值，不穩(wěn)定時取大值；在淺部和堅硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，大巷間距可減小至10m；在深部和松軟圍巖條件下，大巷間距可增大至50m。上下山及集中巷間距以15～30m為宜，圍巖較穩(wěn)定時取小值，不穩(wěn)定時取大值；在淺部和堅硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，上述距離可減小到10m，在深部和松軟圍巖以及厚煤層內，間距應擴大到40～50m。第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

表7-2巷道相互影響系數(shù)

前《蘇聯(lián)煤礦巷道合理布置保護和支護規(guī)程》規(guī)定：D＝（a1＋a2）K1a1＋a2—相互影響的巷道總寬度，mK1—巷道相互影響系數(shù)第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月三、構造應力對巷道穩(wěn)定性的影響（一）構造應力構造應力的基本特點是以水平應力為主，具有明顯的方向性和區(qū)域性。(二）水平應力對巷道穩(wěn)定性的影響水平應力是影響巷道頂板冒落、底板臌起、兩幫內擠的主要因素。頂板巖層在水平應力作用下可能出現(xiàn)兩種破壞形式：一是薄層頁巖類巖層沿層面滑移，二是厚層的砂巖類巖層以小角度或沿小斷層產生剪切，頂板失穩(wěn)冒落。第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）合理的巷道布置方向巷道軸向與構造應力方向之間夾角不同，巷道圍巖水平應力集中程度有很大差異。因此，在構造應力影響較強烈的區(qū)域，要重視巷道布置方向，依靠正確調整巷道方向與構造應力方向間的關系，削減構造應力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-7巷道軸向與構造應力成一定角度時周邊應圍巖應力計算簡圖第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-8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

第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月四、受采動影響巷道的圍巖變形（一）巷道圍巖變形量的構成巷道圍巖變形量包括巷道頂板下沉量、底板臌起量、巷幫移近量、深部圍巖移近量以及巷道剩余斷面積等。（二）巷道圍巖變形規(guī)律采準巷道從開掘到報廢，經歷采動造成的圍巖應力重新分布過程，圍巖變形會持續(xù)增長和變化。以受到相鄰區(qū)段回采影響的工作面回風巷為例，圍巖變形要經歷五個階段（圖7-9）。第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-9區(qū)段平巷圍巖變形巷道掘進影響階段無采掘影響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第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月表7-3采區(qū)平巷不同礦壓顯現(xiàn)帶內頂?shù)装逡平?guī)律第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律一、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同，巷道位置可以分為以下幾類：（1）與回采空間在同一層面的巷道稱為本煤層巷道，分析本煤層巷道位置時，僅考慮回采空間周圍煤體上支承壓力的分布規(guī)律，可作為平面問題處理。第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）與回采空間不在同一層面，其下方的巷道稱為底板巷道，分析底板巷道位置時，應該考慮回采空間周圍底板巖層中應力分布規(guī)律，按空間問題處理，位于回采空間所在層面上方的巷道稱為頂板巷道。（3）厚煤層中、下分層以及相鄰煤層中的煤層巷道，有可能同時受到本分層和上分層以及相鄰煤層采面的采動影響。分析這類巷道位置時，依據(jù)巷道與回采空間位置和采掘時間關系，綜合考慮回采空間周圍煤體上支承壓力和頂、底板巖層中應力的疊加影響。第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月二、區(qū)段巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（一）區(qū)段巷道的布置方式根據(jù)區(qū)段回采的準備系統(tǒng)，區(qū)段巷道可分成三種布置方式。（1）位于未經采動的煤體內，巷道兩側均為煤體，稱為煤體-煤體巷道(圖7-10Ⅰ)

。

第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）巷道一側為煤體，另一側為保護煤柱，保護煤柱一側的采面采動影響已穩(wěn)定后，掘進的巷道稱為煤體-煤柱巷道（采動穩(wěn)定）(圖7-10Ⅱ1)

；與保護煤柱一側的采面區(qū)段巷道同時掘出，保護煤柱一側的采面回采過程中，掘進的巷道稱為煤體-煤柱巷道（正采動）(圖7-10Ⅲ1)

。第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）巷道一側為煤體，另一側為采空區(qū),采空區(qū)一側采動影響已經穩(wěn)定后，沿采空區(qū)邊緣掘進的巷道稱為煤體-無煤柱（沿空掘進）巷道(圖7-10Ⅱ2)

；如果通過加強支護或采用其它有效方法，將相鄰區(qū)段巷道保留下來，供本區(qū)段工作面回采時使用的巷道，稱為煤體-無煤柱（沿空保留）巷道(圖7-10Ⅲ2)。第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-10區(qū)段巷道布置方式示意圖a—煤柱護巷；b—無煤柱護巷

第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月(二）區(qū)段巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（1）煤體-煤體巷道服務期間內，圍巖的變形將經歷巷道掘進影響、掘進影響穩(wěn)定和采動影響三個階段。由于巷道在采面后方已經廢棄，巷道僅經歷采面前方采動影響，圍巖變形量比采動影響階段全過程小得多，一般僅1/3左右。第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）煤體-煤柱或采空區(qū)巷道服務期間，圍巖的變形同樣經歷巷道掘進影響、掘進影響穩(wěn)定和采動影響三個階段。但是巷道整個服務期間內，始終受相鄰區(qū)段采空區(qū)殘余支承壓力的影響，三個影響階段的圍巖變形均大于煤體-煤體巷道。（3）煤體-煤柱或無煤柱巷道服務期間，圍巖的變形將經歷全部的五個階段。圍巖變形量遠大于無采動及一側采動穩(wěn)定后巷道。第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）厚煤層中下分層區(qū)段巷道布置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

圖7-11厚煤層中下分層區(qū)段巷道布置方式

a—在已穩(wěn)定的采空區(qū)下方b—在已穩(wěn)定的采空區(qū)下方靠近上分層護巷煤柱c—在護巷煤柱下部；第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月三、底板巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（一）底板巷道的位置按照巷道與上部煤層回采空間的相對位置和開采時間關系，巷道的位置可歸納以下三種情況：①巷道布置在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部。在上部煤層回采空間形成的底板應力降低區(qū)內，巷道整個服務期間內不受采動影響。第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月②巷道布置在保護煤柱下部。經歷保護煤柱兩側回采工作面的超前采動。保護煤柱形成后，一直受保護煤柱支承壓力的影響。當保護煤柱足夠寬或者巷道與保護煤柱的間距足夠大時，巷道可以避開采動影響，處于原巖應力場內。③巷道布置在尚未開采的工作面下部。經歷上部采面的跨采影響后，位于已穩(wěn)定的采空區(qū)下部應力降低區(qū)內。第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-12底板巷道位置Ⅰ—在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部；Ⅱ—在保護煤柱下部；Ⅲ—在尚未開采工作面下部，經歷上部采面的跨采影響第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）底板巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

圖7-13受上部煤層采動影響底板巷道變形a—保護煤柱不夠寬條件下第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）底板巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

圖7-13受上部煤層采動影響底板巷道變形b—采面跨采條件下第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、上、下山巷道的位置按巷道與回采空間的相對位置和回采順序，可將上、下山的布置方式歸納為圖7-14所列舉的類型：1.位于煤層內用煤柱保護的上、下山2.位于底板巖層內上方保留煤柱的上、下山3.上、下山位于底板巖層內，上部煤層工作面跨越上、下山回采，不留護巷煤柱

第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-14受采動影響的上、下山布置方式

第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月五、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，也決定了巷道受到采動影響的程度。圍巖性質是影響巷道維護諸因素中最為重要的因素。巷道布置類型及參數(shù)見示意圖7-16。第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-16巷道布置類型及布置參數(shù)示意圖第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）巷道圍巖變形與Z、X值的關系現(xiàn)場實測表明：在巷道圍巖性質、開采深度和上部煤層采動狀況等相同條件下，巷道圍巖變形量與Z值的關系曲線如圖7-17所示，巷道圍巖變形量u(mm)與巷道至上部煤層的垂距Z(m)之間呈冪函數(shù)關系。第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-17巷道圍巖變形與Z值的關系曲線1—區(qū)段集中巷；2—盤區(qū)上山第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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—兩幫移近速度2—頂?shù)滓平俣?/p>

第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）計算底板巷道位置參數(shù)

圖7—21應力降低區(qū)內底板巷道位置參數(shù)

第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月表7-5巷道與跨采煤層間的最小距離/m第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月表7-6巷道與上部煤層邊緣之間的水平距離X/m第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月4．頂板巷道位置參數(shù)我國煤層賦存條件復雜，在某些情況下，例如靠近煤層的底板巖層為強含水的奧灰?guī)r或者軟弱巖層；以及為了減輕或消除上部煤層的煤與瓦斯突出或沖擊地壓的危險，先開采下部作為保護層的煤層時，布置頂板巷道更有利。目前，我國主要用保護煤柱保護頂板巷道。第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-22保護煤柱維護頂板巷道示意圖a—煤層走向方向；b—煤層傾向方向第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-23下部煤層（跨采）頂板巷道示意圖第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月六、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?00～100mm，頂?shù)装迤骄平俣仍黾?2mm/d。第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)巷道圍巖控制原理一、巷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：（1）松動圍巖壓力（2）變形圍巖壓力（3）膨脹圍巖壓力（4）沖擊和撞擊圍巖壓力第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月二、巷道圍巖控制原理和方法1．巷道圍巖控制原理巷道圍巖控制是指控制巷道圍巖的礦山壓力和周邊位移所采取措施的總和。其基本原理是：人們根據(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。

第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2．巷道布置從巷道圍巖控制的角度出發(fā)，布置巷道時應重視下列問題：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。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。第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月③在采礦系統(tǒng)允許的距離范圍內，選擇穩(wěn)定的巖層或煤層布置巷道，盡量避免水與松軟膨脹巖層直接接觸。④巷道通過地質構造帶時，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