第七章 巷道矿压显现规律课件.ppt

矿山压力与岩层控制,第七章,巷道矿压显现规律,第一节,巷道围岩应力及变形规律,第二节,受采动影响巷道矿压显现规律,第三节,巷道围岩控制原理,第一节,巷道围岩应力及变形规律,一、受采动影响巷道的围岩应力,（一）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力,巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道围岩,内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，,围岩仍处于弹性状态，围岩应力可用弹性力学,方法按平面应变问题计算。双向等压原岩应力,场内圆形巷道围岩应力分布如图,7-1,所示。,图,7-1,圆形巷道围岩弹性变形应力分布,如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会,产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展,到一定范围，出现塑性变形区，成为,弹塑性,介质,。,在塑性区内圈（,A,）围岩强度明显削弱，低,于原始应力,H,，围岩发生破裂和位移称为,破,裂区,，也叫卸载和,应力降低区,。塑性区外圈,（,B,）的应力高于原始应力，它与弹性区内应,力增高部分均为,承载区,，也称,应力增高区,。,再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力,区。,图,7-2,圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布,A,破裂区；,B,塑性区；,C,弹性区；,D,原始应力区,（二）,回采工作面周围支承压力分布,煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡,状态，引起应力重新分布。对于受到采动影,响的巷道，它的维护状况除了受巷道所处位,置的自然因素影响以外，主要取决于采动影,响。煤层开采以后，采空区上部岩层重量将,向采空区周围新的支承点转移，从而在采空,区四周形成,支承压力带,（图,7-3,）。,图,7-3,采空区应力重新分布概貌,1,工作面前方超前支承压力,2,、,3,工作面倾斜方向残余支承压力,4,工作面后方采空区支承压力,工作面超前支承压力影响范围为,40,80m,，支,承压力峰值位置距煤壁一般为,4,8m,应力增高系数,为,2,4,。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范,围一般为,15,40m,，支承压力峰值位置距煤壁一般,为,15,20m,，应力增高系数为,2,3,。,相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点,发生相互叠加，称为,叠合支承压力,。例如，在上,下区段之间，上区段采空区形成的残余支承压力,与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采,空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应,力增高系数可达,5,7,，有时甚至更高,(,图,7-4),。,图,7-4,煤层凸出角处叠加支承压力,（三）,采动引起的底板岩层应力分布,煤层开采引起回采空间周围岩层应力重,新分布，不仅在回采空间周围煤体（柱）上,造成应力集中，还会在顶板与底板岩层内形,成应力的重新分布。在底板岩层一定范围内,应力的重新分布，成为影响底板巷道布置和,维护的重要因素。,煤层顶底板中支承压力集中程度随距开,采煤层距离的增加而降低。,（,a,）一侧采空,图,7-5,三种典型的煤柱载荷作,用下底板岩层的应力分布,（,b,）两侧采空，煤柱宽,B,图,7-5,三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布,（,c,）两侧采空，煤柱宽,2B,图,7-5,三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布,图,7-6,上部煤层采动遗留保护煤柱引起,底板岩层内应力分布,二、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定,（一）巷道围岩应力影响带,巷道开掘以后，巷道周围岩体内的应力重,新分布。巷道围岩应力受扰乱的区域称为影响,带，一般以超过原岩应力值的,5,作为影响带,的边界。如果相邻巷道的应力影响带彼此不重,叠，可以忽略巷道间的相互影响。如果相邻巷,道的应力影响带彼此重叠，但没有到达相邻巷,道，可进行巷道围岩应力值的叠加。,在静水压应力场中，巷道的应力影响区域,形状为半径等于,6r,的圆（,r,为巷道断面半径）。,在非静水压应力场中，巷道的应力影响区域,形状不再是圆形，一般为长轴不大于,12r,的椭,圆。,因此，断面相同两圆形巷道的间距,D,为,6r,D,12r,半径不同两圆形巷道的间距,D,为,6R,D,6,（,R,R,）,如果巷道周边形成塑性变形区，相邻,巷道的应力影响带不宜超过,塑性变形区与弹,性变形区的交界面。,（二）巷间岩柱的稳定性,岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩,柱强度。当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载,能力时，岩柱是不稳定的。,?,?,?,?,?,?,?,?,h,B,R,R,C,222,.,0,778,.,0,?,?,?,?,?,?,?,?,h,B,R,R,C,36,.,0,64,.,0,1,（三）相邻巷道间合理距离,我国煤矿目前采深条件下，大巷间的距离,以,20,40m,为宜，围岩较稳定时取小值，不稳,定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜,煤层条件下，大巷间距可减小至,10m,；在深部,和松软围岩条件下，大巷间距可增大至,50m,。,上下山及集中巷间距以,15,30m,为宜，围岩较,稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚,硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，上述距离可,减小到,10m,，在深部和松软围岩以及厚煤层内，,间距应扩大到,40,50m,。,平行巷道相互影响系数,K,1,沿走向巷道围岩强度,/Mpa,沿倾斜巷道围岩强度,/Mpa,所布置巷道距地表深度,/m,30,60,90,120,30,60,90,120,300,3.5,2,2,1.6,1.5,1.3,1.2,1,1.8,1.5,1.2,1,300,600,4,2.5,2,1.8,1.7,1.5,1.4,1.2,2.2,1.8,1.5,1.2,600,900,4.5,3,2.5,2,21.7,1.6,1.4,2.6,2.1,1.7,1.4,900,1200,5,3.5,3.5,3,2.5,2,1.8,1.6,3,2.5,2,1.5,1200,5.5,4,4,3.5,3,2.3,2,1.8,3.4,2.9,2.4,1.7,表,7-2,巷道相互影响系数,前苏联煤矿巷道合理布置保护和支护,规程规定,：,D,（,a,1,a,2,）,K,1,a,1,a,2,相互影响的巷道总宽度，,m,K,1,巷道相互影响系数,三、构造应力对巷道稳定性的影响,（一）,构造应力,构造应力的基本特点是以水平应力为主，,具有明显的方向性和区域性。,(,二）,水平应力对巷道稳定性的影响,水平应力是影响巷道顶板冒落、底板臌起、,两帮内挤的主要因素。顶板岩层在水平应力,作用下可能出现两种破坏形式：一是薄层页,岩类岩层沿层面滑移，二是厚层的砂岩类岩,层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳,冒落。,（三）合理的巷道布置方向,巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，,巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。因,此，在构造应力影响较强烈的区域，要重视,巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构,造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道,围岩稳定性的影响。,图,7-7,巷道轴向与构造应力成一定角度时,周边应围岩应力计算简图,图,7-8,巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，,周边围岩应力分布,a,平行构造应力；,b,垂直构造应力,四、受采动影响巷道的围岩变形,（一）巷道围岩变形量的构成,巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、,底板臌起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以,及巷道剩余断面积等。,（二）,巷道围岩变形规律,采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的,围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长,和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回,风巷为例，围岩变形要经历五个阶段（图,7-,9,）。,图,7-9,区段平巷围岩变形,(1),巷道掘进,影响阶段,(2),无采掘,影响阶段,(3),采动影响,阶段,(4),采动影响,稳定阶段,(5),二次采动,影响阶段,矿压显现带,各带内顶底板移近速度,/mm,d,各带移近量所占比值,掘进影响带,无采掘影响带,剧烈区每天由几毫米至几十毫米，稳定期一般,1,多数情况为,0.2,0.5,，有时至,1,左右。,采动影响带,前影响区,1,后影响区,2,采动影响稳定带,二次采动影响带,由每天几毫米至十几毫米,一般,20,30,，少数情况达,40,60,多数情况,1,，有时达,1,2,由每天十几毫至二十几毫米，可达到三十几毫米,10,15,50,60,5,8,20,25,表,7-3,采区平巷不同矿压显现带内顶底板移近规律,第二节、受采动影响巷道矿压显现规律,一、巷道位置类型,根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间,关系的不同，巷道位置可以分为以下几类：,（,1,）,与回采空间在同一层面的巷道称为,本,煤层巷道,，分析本煤层巷道位置时，仅考虑回,采空间周围煤体上支承压力的分布规律，可作,为平面问题处理。,（,2,）与回采空间不在同一层面，其下方的巷,道称为,底板巷道,，分析底板巷道位置时，应该,考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律，,按空间问题处理，位于回采空间所在层面上方,的巷道称为,顶板巷道,。,（,3,）厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤,层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及,相邻煤层采面的采动影响。分析这类巷道位置,时，依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系，,综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、,底板岩层中应力的,叠加影响,。,二、区段巷道的位置和矿压显现规律,（一）,区段巷道的布置方式,根据区段回采的准备系统，区段巷道可,分成三种布置方式。,（,1,）,位于未经采动的煤体内，巷道两侧均,为煤体，称为,煤体,-,煤体巷道,(,图,7-,10),。,（,2,）,巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，,保护煤柱一侧的采面采动影响已稳定后，掘进,的巷道称为,煤体,-,煤柱巷道（采动稳定）,(,图,7-,10,1,),；与保护煤柱一侧的采面区段巷道同,时掘出，保护煤柱一侧的采面回采过程中，掘,进的巷道称为,煤体,-,煤柱巷道（正采动）,(,图,7-,10,1,),。,（,3,）,巷道一侧为煤体，另一侧为采空区,采,空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘,掘进的巷道称为,煤体,-,无煤柱（沿空掘进）巷道,(,图,7-,10,2,),；如果通过加强支护或采用其它有,效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段,工作面回采时使用的巷道，称为,煤体,-,无煤柱,（沿空保留）巷道,(,图,7-,10,2,),。,图,7-10,区段巷道布置方式示意图,a,煤柱护巷；,b,无煤柱护巷,(,二）,区段巷道矿压显现规律,（,1,）,煤体,-,煤体巷道服务期间内，围岩的,变形将经历,巷道掘进影响,、,掘进影响稳定和,采动影响,三个阶段。由于巷道在采面后方已,经废弃，巷道仅经历采面前方采动影响，围,岩变形量比采动影响阶段全过程小得多，一,般仅,1/3,左右。,（,2,）煤体,-,煤柱或采空区巷道服务期间，围岩,的变形同样经历,巷道掘进影响、掘进影响稳定,和采动影响,三个阶段。但是巷道整个服务期间,内，始终受相邻区段采空区,残余支承压力,的影,响，三个影响阶段的围岩变形均大于煤体,-,煤体,巷道。,（,3,）煤体,-,煤柱或无煤柱巷道服务期间，围岩,的变形将经历全部的,五个阶段,。围岩变形量远,大于无采动及一侧采动稳定后巷道。,（三）,厚煤层中下分层区段巷道布置和矿,压显现规律,图,7-11,厚煤层中下分,层区段巷道布置方式,a,在已稳定的采空区下,方,b,在已稳定的采空区下,方靠近上分层护巷煤柱,c,在护巷煤柱下部,；,三、底板巷道的位置和矿压显现规律,（一）,底板巷道的位置,按照巷道与上部煤层回采空间的相对位置和,开采时间关系，巷道的位置可归纳以下三种,情况：,巷道布置在已稳定的采空区下部,。在上部,煤层回采空间形成的底板应力降低区内，巷,道整个服务期间内不受采动影响。,巷道布置在保护煤柱下部,。经历保护煤,柱两侧回采工作面的超前采动。保护煤柱形,成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。当,保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距,足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原,岩应力场内。,巷道布置在尚未开采的工作面下部。经,历上部采面的跨采影响,后，位于已稳定的采,空区下部应力降低区内。,图,7-12,底板巷道位置,在已稳定的采空区下部；,在保护煤柱下,部；,在尚未开采工作面下部，,经历上部采面的跨采影响,（二）,底板巷道的矿压显现规律,图,7-13,受上部煤层采动影响底板巷道变形,a,保护煤柱不够宽条件下,（二）,底板巷道的矿压显现规律,图,7-13,受上部煤层采动影响底板巷道变形,b,采面跨采条件下,四、,上、下山巷道的位置,按巷道与回采空间的相对位置和回采顺序，,可将上、下山的布置方式归纳为图,7-14,所列举,的类型,：,1.,位于煤层内用煤柱保护的上、下山,2.,位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山,3.,上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作,面跨越上、下山回采，不留护巷煤柱,图,7-14,受采动,影响的上、下山,布置方式,五、巷道位置参数的选择,巷道位置参数既明确了巷道所在的,层位及其围岩性质，也决定了巷道受到,采动影响的程度。围岩性质是影响巷道,维护诸因素中最为重要的因素,。巷道,布置类型及参数见示意图,7-16,。,图,7-16,巷道,布置类型及布,置参数示意图,（一）,巷道围岩变形与,Z,、,X,值的关系,现场实测表明：在巷道围岩性质、开,采深度和上部煤层采动状况等相同条件下，,巷道围岩变形量与,Z,值的关系曲线如图,7-17,所示，巷道围岩变形量,u (mm),与巷道至上部,煤层的垂距,Z(m),之间呈幂函数关系。,b,az,u,?,?,图,7-17,巷道围岩变形与,Z,值的关系曲线,1,区段集中巷,；,2,盘区上山,图,7-18,巷道围岩变形速度与上部煤柱边缘之间的水,平距离关系曲线,1,两帮移近速度,2,顶底移近速度,（三）计算底板巷道位置参数,图,7,21,应力降低区内底板巷道位置参数,巷道围岩强度,/Mpa,巷道埋藏深度,/m,30,30,60,60,300,20,10,10,600,20,15,900,20,表,7-5,巷道与跨采煤层间的最小距离,/m,巷道与上部煤层之间的垂直距离,/m,巷道埋深,/m,围,岩,强,度,/Mpa,10,15,20,30,40,50,30,25 (0.12),30 (0.15),35 (0.16),40 (0.19),30,60,15 (0.07),15 (0.11),20 (0.10),25 (0.11),30 (0.12),35 (0.13),300,60,10 (0.08),10 (0.12),12 (0.12),15 (0.11),17 (0.12),20 (0.12),30,60,25 (0.13),30 (0.16),35 (0.17),40 (0.17),600,60,17 (0.13),20 (0.14),25 (0.16),30 (0.15),35 (0.15),900,60,25 (0.12),30 (0.17),35 (0.18),40 (0.17),1000,60,25 (0.14),30 (0.18),35 (0.19),45 (0.19),表,7-6,巷道与上部煤层边缘之间的水平距离,X/m,4,顶板巷道位置参数,我国煤层赋存条件复杂，在某些情况下，,例如靠近煤层的底板岩层为强含水的奥灰岩或,者软弱岩层；以及为了减轻或消除上部煤层的,煤与瓦斯突出或冲击地压的危险，先开采下部,作为保护层的煤层时，布置顶板巷道更有利。,目前，我国主要用保护煤柱保护顶板巷道,。,图,7-22,保护煤柱维护顶板巷道示意图,a,煤层走向方向；,b,煤层倾向方向,图,7-23,下部煤层（跨采）顶板巷道示意图,六、综放面回采巷道矿压显现特点,1,实体煤巷道,与综采分层工作面相比，综放整层工作面超,前支承压力分布范围扩大，应力高峰位置前移；,一般情况下综放巷道各项矿压显现指标参数均高,于综采分层巷道。,2,沿空掘进巷道,以兖州兴隆庄煤矿为例，综放与综采一分,层沿空巷道相比较超前支承压力明显影响区范围,扩大,20m,左右；顶底板平均移近量增加,400,100mm,，顶底板平均移近速度增加,12mm/d,。,第三节,巷道围岩控制原理,一、,巷道围岩压力及影响因素,1,围岩压力,围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤,压力或塌落岩石的重力，统称为,围岩压力,。,根据围岩压力的成因，可分为以下四种类,型：,（,1,）松动围岩压力,（,2,）变形围岩压力,（,3,）膨胀围岩压力,（,4,）冲击和撞击围岩压力,二、,巷道围岩控制原理和方法,1,巷道围岩控制原理,巷道围岩控制是指控制巷道围岩的矿山,压力和周边位移所采取措施的总和。其基本,原理是：,人们根据巷道围岩应力、围岩强度,以及它们之间相互关系，选择合适的巷道布,置和保护及支护方式。降低围岩应力，增加,围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，,有效地控制围岩的变形、破坏。,2,巷道布置,从巷道围岩控制的角度出发，布置巷道,时应重视下列问题：,在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，,最好将巷道布置在煤层开采后所形成的应力,降低区域内。,如果不能避开采动支承压力的影响，应尽,量避免支承压力叠加的强烈作用，或者尽量,缩短支承压力影响时间，例如跨越巷道开采，,避免在遗留煤柱下方布置巷道等。,在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的,岩层或煤层布置巷道，尽量避免水与松软膨胀,岩层直接接触。,巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂,直断层构造带或向、背斜构造。,相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度。,巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，,避免与构造应力方向垂直。,3,巷道保护及支护,巷道的保护及支护措施可以归纳为以下几点：,1),通过在巷道围岩中钻孔,卸压,、切槽卸压、宽面,掘巷卸压以及在巷旁留专门的卸压空间等方法，,使巷道围岩受到某种形式的不同程度的卸载。,2),采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷,道周边喷浆、支架壁后充填、围岩疏干封闭等方,法，,增高围岩强度，优化围岩受力条件和赋存环,境。,3),架设支架对围岩施加径向力，既支撑松,动塌落岩石，又能加大巷道的围压，,保持,围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制,塑性变形区和破裂区的发展。,三巷道围岩稳定性分类及支护选择,巷道围岩稳定性的类别是一个模糊概念,选用,模糊聚类分析,方法,.,分类指标：属于围岩强度方面,巷道顶板岩石、煤层、底板岩石单向抗压,强度，围岩岩体完整性指数。,属于围岩应力方面,巷道埋深，本区段采动影响指标，相邻区,段采动影响指标。,巷道类别,顶,Mpa,煤,Mpa,底,Mpa,N,H,m,X,D,m,（非常稳定）,95,25,60,0.03,260,0,24.3,（稳定）,50,18,35,2.35,300,0.105,14.9,（中等稳定）,30,12,12,3.10,380,0.365,10.3,（不稳定）,45,16,30,2.65,340,0.576,11.9,（极不稳定）,25,11,11,3.19,410,0.765,9.7,表,7-7,回采巷道围岩稳定性分类指标聚类中心值,巷道围岩移近量预算,2,2,1,1,0,U,U,U,U,U,Z,?,?,?,?,?,U0,无采动影响阶段巷道顶底板移近量,U1,受本区段工作面一次采动影响巷道顶底,板移近量,U1-2,一次采动后稳定期内无采掘影响阶段,巷道顶底板移近量,U2,受下区段工作面二次采动影响巷道顶底,板移近量,图,7-24,巷道埋深和围岩强度与顶底板移近量的关系,曲线,a,无采动影响阶段；,b,一次采动影响阶,段；,c,一次采动后稳定阶段,巷道,类别,巷道围岩,稳定状况,基本支护形式,主要支护参数,整体砂岩、石灰岩类岩层，不支护,非常稳定,其它岩层，单体锚杆,顶板较完整，单体锚杆,端锚,杆体直径,16mm,、,杆体长,度,1.6,1,.8m,、,间排距,0,.8,1.2m,、设计锚固力,64,80kN,稳定,顶板较破碎，锚杆,+,网,顶板较完整，锚杆,+,钢筋梁或桁架,端锚,杆体直径,16,18mm,、,杆体长度,1,.6,2.0,m,、,间排距,0.8,1.0m,、设计锚固,力,64,80kN,中等稳定,顶板较破碎，锚杆,+W,钢带,（或钢筋梁）,+,网，,桁架,+,网，或增加锚索,端锚,杆体直径,16,18mm,、,杆体长度,1,.6,2.2,m,、,间排距,0.6,1.0m,、设计锚固,力,64,80kN,全长锚固,杆体直径,18,22mm,、,杆体长度,1,.8,2.4,m,、,间,排距,0.6,1.0,m,、,不稳定,锚杆,+W,钢带,+,网，或增加锚索,桁架,+,网，或增加锚索,全长锚固,杆体直径,18,22mm,、,杆体长度,1,.8,2.4,m,、,间,排距,0.6,1.0,m,、,极不稳定,顶板较完整，,锚杆,+,金属可缩支架，,或增加,锚索；顶板较破碎，锚杆,+,网,+,金属可缩支,架，,或增加锚索；,底臌严重，,锚杆,+,环形可,缩支架,全长锚固,杆体直径,18,24mm,、,杆体长度,2,.0,2.6,m,、,间,排距,0.6,1.0,m,、,表,7-9,煤巷顶板锚杆基本支护形式与主要参数,4400,800,800,800,800,800,2,0,2,0,7,5,0,7,5,0,7,5,0,7,5,0,7,5,0,7,5,0,7,5,0,7,5,0,2,0,2,0,2,0,2,0,T,4,4,00mm,钢带,6300mm,锚索,9,0,0,9,0,0,9,0,0,9,0,0,1,8,0,0,2000,2200,2200,2,6,0,0,3,4,0,0,6300,