[工学]矿山压力与岩层控制第7章.ppt

第7章 巷道维护原理和支护技术,邵小平 讲师 Sao Xiaoping,主讲教师：,Xi an University of Science&Technology,矿山压力与岩层控制Mining Pressure and Strata Control,第7章 巷道维护原理和支护技术第一节 无煤柱护巷第二节 巷道围岩卸压第三节 巷道金属支架第四节 巷道锚杆支护第五节 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术第六节 锚杆支护质量监测,图7-1 留煤柱护巷示意图,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱的稳定性,传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。,（一）煤柱的载荷 1煤柱载荷的估算,图7-2 计算煤柱载荷示意图,2煤柱宽度的理论计算 护巷煤柱宽度的理论计算有按煤柱的允许应力，煤柱能承受的极限载荷，以及按煤柱应力分布等多种方法。各种方法的基本观点都认为：煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷不超过它的极限强度R。煤柱的宽度B计算式：,1一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布,图7-3 煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布,1弹性应力分布；2弹塑性应力分布；破裂区；塑性区；弹性区应力升高部分；原始应力区,（二）煤柱的应力分布,2两侧采空煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布 两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决于回采引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B，主要有三种类型：B2L 2LBL BL,图7-4 煤柱宽度很大时弹塑性变形区及垂直应力分布,破裂区；塑性区；中部为原岩应力的弹性区,图7-5 煤柱宽度较大时弹塑性变形区及垂直应力分布,图7-6 宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布,破裂区；塑性区；弹性区,图7-7 煤柱的弹塑性变形区及应力分布,（三）护巷煤柱的稳定性(1)护巷煤柱的宽度 煤柱的宽度是影响煤柱的稳定性和巷道维护的主要因素,二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系 在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度差异悬殊。(2)沿空巷道顶板岩层处于采空区上覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。(3)沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影响最显著,老顶一般可视为亚关键层。,图7-8 采空区上覆岩层结构示意图,图7-9 回采工作面倾斜方向支承压力分布,a顶底板为砂岩,b顶底板为泥质或较破碎的砂质页岩,三、沿空掘巷的矿压显现规律（一）沿倾斜方向支承压力分布规律,（二）沿空掘巷的矿压显现1沿空掘巷的围岩应力和围岩变形,图7-10 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布,1掘巷前的应力分布 2掘巷后的应力分布,图7-11窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布,1掘巷前的应力分布 2掘巷后的应力分布,2窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形 窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留58m宽的煤柱。巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向煤体内应力分布。,图7-12 完全沿空掘巷,图7-13 留小煤墙沿空掘巷,沿空掘巷的二种方式：完全沿空掘巷、留小煤柱掘巷方式。,第二节 巷道围岩卸压,一、跨巷回采进行巷道卸压1跨巷回采卸压的机理 根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可在巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置。,2、跨巷回采的应用及矿压显现规律,跨巷回采期间，巷道将顺次受到跨采面的超前支承压力和上覆岩层垮落的影响，剧烈影响范围和程度与开采深度、围岩的力学性质及巷道与开采煤层的法向距离有关。只要与采空区煤壁边缘的水平距离适当，跨采后巷道可以长期处于应力降低区。,图7-14 区段煤柱对跨采上山围岩变形的影响,1不留区段煤柱、先跨；2留区段煤柱、先跨,3留区段煤柱、后跨；4较宽的煤柱维护上山,图7-15 切缝对圆形巷道周边应力分布的影响,a无切缝；b两帮切缝；c顶底切缝；d两帮及顶底同时切缝,二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压1巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响,2巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用,图7-16 钻孔卸压现场试验结果,1未卸压 2卸压钻孔深8m 3卸压钻孔深9m,3巷道围岩松动爆破卸压法的应用,图7-17 松动爆破卸压钻孔布置,三、利用卸压巷硐进行巷道卸压 利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。,图7-18 巷道一侧卸压巷硐的卸压原理,1被保护巷道；2卸压巷道；3让压煤柱；4承载煤柱,1在巷道一侧布置卸压巷硐 在护巷煤柱中与巷道间隔一段距离掘一条卸压巷道，形成的窄煤柱称为让压煤柱，宽煤柱称为承载煤柱,图7-19 胶带输送机硐室顶部卸压1输送机硐室；2卸压巷道；3松动爆破区,2在巷道顶部布置卸压巷硐 卸压巷硐布置在被保护巷道与上部开采煤层之间,使被保护巷道避开上部煤层跨采时产生的剧烈影响，处于卸压巷硐形成的应力降低区内。,图7-20 宽巷（面）掘进卸压,1宽巷（面）掘进卸压后支承压力分布；2侧巷,3、宽面掘巷卸压 宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把巷道两侧68m宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的空间，,第三节 巷道金属支架一、巷道支架支护原理,巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。,当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架处于给定载荷状态。当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架处于给定变形状态。,图7-21“支架围岩”相互作用力学模型,a给定载荷状态；b给定变形状态,2“支架-围岩”相互作用的基本状态,3“支架-围岩”相互作用原理,巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，合理的“支架-围岩”相互作用关系是充分利用围岩天然的自承力和承载力。,图7-22 支架与围岩的相互作用关系,图7-23 新U25型钢断面图,二、巷道金属支架,（一）矿用支护 U型钢,图7-24 双槽形夹板式连接件 a上限位连接件；b中间连接件；c下限位连接件 1上限位块 2下限位块,图7-25 四节多铰摩擦可缩支架结构,1U型钢；2铰结点；3耳卡式连接件,图726 U型钢拱梯形可缩性支架断面参数,图7-27 马蹄形可缩性支架,图7-28 圆形可缩性支架,图7-29 环形可缩性支架 a方环形；b长环形,第四节 巷道锚杆支护一、锚杆种类和锚固力 锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。,1锚杆的分类最基本的分类方法是按锚杆的锚固方式划分为：机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆。粘结锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。摩擦锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。,2锚杆的锚固力（1）根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力托锚力 粘锚力切向锚固力（2）根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力初锚力 工作锚固力 残余锚固力,（1）悬吊理论,锚杆支护悬吊作用,二、锚杆支护理论,（2）组合梁理论,层状顶板锚杆组合梁,（3）组合拱（压缩拱）理论,锚杆组合拱原理,（4）最大水平应力理论,（5）围岩强度强化理论,围岩强度强化理论的要点如下：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构。(2)巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数（E、C、），改善被锚固岩体的力学性能。(3)巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区的岩体则处于破碎区或处于上述23个区域中，相应锚固区的岩石强度处于峰后强度或残余强度。锚杆支护使巷道围岩特,别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度。(4)煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载能力。(5)巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。,（一）机械式锚杆,图7-32 竹、木楔缝式锚杆,三、锚杆,（1）缝管式锚杆,图7-33 缝管锚杆,（2）水力膨胀锚杆,图7-34 水力膨胀锚杆,（二）摩擦式锚杆,1 树脂药卷；2杆体；3穹形球体；4托盘；5塑料1硬木内楔2木杆体；3木托板；4硬木外楔；5竹杆体增压垫圈；6驱动螺母,（三）粘结式锚杆,图7-35 高强度螺纹钢锚杆结构,图7-36 端头锚固式锚杆受力特征 1内锚头；2托板,图7-37 全长锚固锚杆锚固力分布 1托锚力 2剪锚力,四、预应力锚索 预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长，能够锚入深部较稳定的岩层中，同时施加较大的预应力。常见的预应力锚索有胀壳式钢绞线预应力锚索和砂浆粘结式预应力锚索。,图7-38 小口径预应力锚索结构,五、软岩巷道锚注支护 软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化。对于节理裂隙发育的岩体，注浆可以改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，显著提高岩体强度。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础。,锚注式（外锚内注式）锚杆结构和施工工艺,图7-39 外锚内注式锚杆和参数 1空心钢管；2注浆段；3锚固段；4尾部螺 纹段；5挡环；6射浆孔,