巷道支護基礎理論

1、巷 道 支 護 理 論 基 礎主要內容一、巷道支護基本理論 二、煤巷錨桿支護關鍵技術三、煤巷頂板事故防治 四、煤巷快速掘進技術1.巷道主要支護形式及其現(xiàn)狀l 煤巷支護主要形式l 木支架l 工字鋼支架l U型鋼支架l 錨桿支護l 巷道變形量大時上述支架難以滿足支護要求木支架l 優(yōu)點：重量輕、加工容易、架設方便、有破壞信號l 缺點：強度低、易破壞、不防火、易腐蝕、風阻大l 適用條件：巷道服務期較短、壓力小、斷面積不大工字鋼可縮性梯形支架井下應用l 埋深小于400m的煤巷，支護沒有問題工字鋼可縮性梯形支架結構適用巷道：圍巖比較穩(wěn)定受動壓影響變形200500mm工字鋼梯形支架破壞形式U型鋼可縮性拱形支

2、架適用巷道：1.服務時間長 2.圍巖不穩(wěn)定 3受動壓影響大 4.變形大于400mm 5.無底臌U型鋼拱形支架破壞形式嚴重變形拱形錄像U型鋼可縮性圓形支架適用巷道：1.服務時間長2.圍巖不穩(wěn)定3.受動壓影響大4.變形大于800mm5有底臌U型鋼方環(huán)形可縮性環(huán)形支架適用巷道：1.服務時間長2.圍巖不穩(wěn)定3.受動壓影響大4.變形大于1000mm5有底臌錨桿支護拱形巷道錨桿支護梯形巷道低強度普通的錨桿支護常用支架的破壞形式1.埋深小于400m的煤巷，支護沒有問題 -木支架、工字鋼支架和U型鋼可縮性支架2.埋深超過600m， 傳統(tǒng)支護不能適應 -木支架和金屬剛性支架徹底毀壞 -U型鋼可縮性支架嚴重變形

3、-低強度錨桿支護不能滿足巷道維護要求3. 現(xiàn)代化采煤迫切需要高水平的錨桿支護4. 2、巷道變形破壞原因分析 1.巷道圍巖條件差 2.圍巖應力大 3.支護不適應巖石結構開采煤層頂?shù)装鍘r層特點l 埋藏深度1001000m，壓力2502500t；l 絕大多數(shù)頂板有直接頂、老頂和直接底、老底。材料破壞機理巖塊單軸壓縮兩種破壞形態(tài)巖石與軟鋼應力應變曲線巖石循環(huán)加載曲線巖塊軸向與橫向應力應變曲線三向應力試驗泥巖三軸試驗曲線大理石三軸試驗曲線點載荷試驗直剪試驗巖石抗剪強度試驗巖石抗拉強度試驗巖石試件主破裂面巖石破裂面極限莫爾圓包絡線莫爾圓物理意義應力狀態(tài)的圖示莫爾圓的定量關系莫爾庫侖準則三軸壓縮極限應力圓單

4、軸壓縮極限應力圓共軛破裂面庫侖準則用強度準則判斷穩(wěn)定性斜直線型莫爾包絡線格里菲斯機理格里菲斯準則地應力實測結果普氏地壓假說太沙基地壓學說變形壓力理論巷道影響區(qū) 1.是指巷道周圍巖體中由于掘進巷道而使應力比原巖應力發(fā)生明顯變化(大于5)的地區(qū)。 2.該區(qū)的范圍與礦山巖石的性質、開采深度、巷道的形狀和尺寸等有關，一般影響范圍的直徑為巷道最大線性尺寸的24倍。不同類型覆巖開采后的破壞情況1冒落帶; 2裂隙帶a覆巖為軟巖層; b覆巖為中硬巖層; c覆巖為堅硬巖層開采后上覆巖層分區(qū)與分帶工作面周圍應力集中開采形成的支承壓力 煤巷上方應力升高1.圍巖松軟破碎；2.受采動強烈影響，地應力大；3.巷道劇烈變形

5、；煤柱底板應力分布英國煤柱應力測量結果煤柱應力圓形巷道受均布載荷圍巖應力圓形巷道受不等載荷圍巖應力橢圓巷道周邊應力矩形巷道周邊應力圓形巷道塑性區(qū)分布層狀圍巖巷道塑性區(qū)分布層狀圍巖巷道圍巖區(qū)分布規(guī)律 (a)實體煤巷道；(b)煤柱巷道；(c)沿空巷道；(d)無直接頂、底的煤柱巷道。分布狀態(tài)：(a)“”型；(b)、(c)半“”型；(d)缺上（或下）的半“”型。與圓形巷道、基本巷道分布狀態(tài)不同，是研究動壓、軟巖巷道礦壓的基礎。 塑性圈l 在集中應力作用下，當巷道圍巖所受應力超過其屈服強度時，就會產生塑性變形，在巷道周圍形成一個塑性變形區(qū)，其邊界稱為塑性圈。l 圈內巖體的基本特征是裂隙增多。由于塑性圈內

6、巖石逐漸松弛，而喪失部分承載能力，使原來巷道周邊附近巖石承受的一部分應力轉移給鄰近的一定深度的巖體，因而塑性圈也隨之逐步擴展到巖體內的一定深度。松動圈l 巷道周圍巖體發(fā)生破裂和松動的區(qū)域，通常稱為松動圈。l 其范圍一般為0.51.5m，它與巖體性質及抗壓強度等有關。松脫壓力l 由于地質弱面的切割、采動引起的離層或巖塊冒落等原因所造成的松散巖體作用于支護結構物上的壓力，稱散體地壓或松脫壓力。當支護結構不能有效地限制圍巖變形的發(fā)展，而在周圍巖體內形成松動圈時，往往導致松動圍巖壓力的出現(xiàn)。l 松脫壓力可采用松散介質極限平衡理論或塊體極限平衡理論進行分析和估算。變形壓力l 是指由于圍巖產生指向巷道(硐

7、室)的位移時擠壓支護體而造成的壓力。l 它在圍巖與支護體相互作用過程中施加于支護體上。在“圍巖支架”力學體系中，只要圍巖變形而支護體又限制其變形，圍巖就對支護體施加變形壓力。l 變形壓力和支護體的剛度有關。在一定的條件下，支護體剛度越大，變形壓力也越大。圍巖變形不僅包括彈性變形，塑性變形，而且還包括與時間有關的流變變形。對于松軟巖體尤為明顯，其值遠比彈、塑性變形大，而且隨時間而不斷增加,因而支護體所受到的變形壓力也不斷增加。膨脹壓力l 是指由于圍巖吸水發(fā)生膨脹而對支護體產生的壓力。l 這種壓力實質上是變形壓力的一種，只是它因含有大量蒙脫石等膨脹性礦物的粘土巖所特有的一種圍巖壓力。沖擊壓力l 又

8、稱礦山沖擊、沖擊地壓、巖爆等，是礦壓顯現(xiàn)的動力現(xiàn)象之一。它是在集中應力作用下，煤、巖體內積聚的彈性應變能在一定條件下突然釋放，使煤、巖體發(fā)生急劇脆性破壞或大塊煤體突然向已采空間拋射的現(xiàn)象。巷道影響區(qū) 1.是指巷道周圍巖體中由于掘進巷道而使應力比原巖應力發(fā)生明顯變化(大于5)的地區(qū)。 2.該區(qū)的范圍與礦山巖石的性質、開采深度、巷道的形狀和尺寸等有關，一般影響范圍的直徑為巷道最大線性尺寸的24倍。巷道圍巖穩(wěn)定性 1.是指各種地下工程在施工和使用中，巷道(或硐室)周圍巖體穩(wěn)定程度。 2.它與巖體性質、地質構造、地應力、回采動壓、地下水、巷道跨度與形狀及施工方法等許多因素有關。巷道圍巖變形是其穩(wěn)定性的

9、反映，是各種影響因素綜合影響的結果。支護對象：破裂煤巖體。頂板巖石松軟、破碎，節(jié)理、層理發(fā)育；兩幫煤體既松軟又性脆；圍巖錨固性能差；煤巷破壞原因工程條件變化頻繁，不確定性強，同一條巷道，類別相差12個級別：高于自重應力數(shù)倍的強烈采動高應力作用絕對變形量達到5001500mm以上，一般為巖巷的幾倍到幾十倍巷道工程量大，服務時間短移近量曲線3.巷道礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律l 巷道掘進階段（）掘進巷道僅對小范圍巖體造成擾動，故一般情況下礦壓顯現(xiàn)不會很劇烈.l 無采掘影響階段（）頂?shù)装逡平俣缺染蜻M期間要小得多，故巷道基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。l 采動影響階段（）采動影響是由于回采工作引起圍巖應力再次重新分布

10、而造成的。這階段中礦壓顯現(xiàn)也最強烈。l 二次采動影響階段（）二次采動影響的時間和空間規(guī)律與一次采動影響類似，但由于這種情況下巷道受到下區(qū)段工作面超前支承壓力和巷道煤體一側殘余支承壓力的疊加作用，二次采動影響的劇烈程度和影響范圍都會比一次采動影響稍大。l 采動影響穩(wěn)定階段（）這是巷道圍巖經受一次采動影響后重新進入相對穩(wěn)定的階段，故其圍巖移動特征基本上與無采掘影響階段類似。圍巖不均勻的整體下沉和局部上升大面積開采、動壓和不同護巷方式引起高應力區(qū)下沉、應力降低區(qū)上升。圖1 相似材料模擬試驗結果u1、u2、u3、u4、u5下沉曲線 D1、D2、D3破斷曲線巷道圍巖不均勻整體下沉和局部上升 巷道兩幫下沉

11、引起底鼓兩幫下沉、底角破壞，水平應力擠壓，底板淺部鼓起，頂板下沉、離層 。 （a） （b）圖2 兩幫下沉與底鼓關系（a）東龐礦（中硬巖）；（b）黃塘嶺礦（軟巖）權臺礦現(xiàn)場實測 淺部鼓起，深部下沉； 與采煤工作面距離不同而變化。 巷道底板深基點位移 巷道底板垂直位移 No垂直位移為零；N零應變點 力學分析（1）Q(y) 作用下M點的位移根據彈性力學理論，平面應變條件下的半無限平面體， Q(y)dy 載荷作用下M點的垂直位移分量dux圖5 力學計算簡圖 Q(y) 作用下，M點的垂直位移ux 等于式（1）在a,b區(qū)間上的積分。(2)煤柱巷道底板等效載荷分布 煤柱巷道底板等效載荷分布 簡化的載荷分布底

12、板中心線上的垂直位移各區(qū)段分布載荷在巷道底板中心線上引起的垂直位移 巷道底板中心線上總的垂直位移巷道支護主要原則1-圍巖位移曲線；2支架工作特性曲線；3圍巖松動破壞后的位移曲線；A、B、C支架可能的工作點；Pmax、Pmin支架承受的最大承載力和最小承載力；umax允許圍巖最大位移量 合理利用巷道圍巖的自承力l 為了利用圍巖的自承力，就要容許圍巖產生某些變形。這種變形會使圍巖中的能量得到一定釋放，從而起到一定的“卸載作用”，這將有利于減輕支架受載。但應當注意的是，這種變形應是有限制的。合理選擇支架工作點l 合理利用圍巖自承力的途徑是使支架與圍巖在相互約束的狀態(tài)下共同承載，即在不導致圍巖松動破壞

13、的前提下，既充分利用圍巖的自承力，又使支架提供的支護阻力最小。為此，應確定某一條件下，巷道支架的合理工作點。B點是支架的最佳工作點。為有一定安全儲備，設計時，應使支架工作點保持離B點不遠。提高圍巖自承能力l 利用物理法和化學法加固圍巖是提高其自承能力的有效措施。前者一般是將不同結構類型的錨桿打入煤或巖體內部，加固圍巖；后者是將粘結劑注入煤或巖體內部，通過充填和固結煤或巖體中的裂隙和各種弱面，使之成為一個整體，達到增強圍巖自承能力的目的。選擇合理的支護方式與參數(shù)l 巷道的支護方式與參數(shù)應符合支架與圍巖共同承載的原理。要根據具體條件，在剛性支架、可縮性支架、錨桿支護中進行合理的選擇。剛性支架，一般

14、只適用于頂?shù)装逡平?lt;10的條件。采區(qū)巷道中大多數(shù)情況下要用可縮性支架或錨桿支護。4、 改善巷道支護面貌的基本途徑（1）合理布置巷道 （2）提高圍巖強度 （3）減小巖體應力 （4）巷道支護（1）巷道布置的原則1）空間上盡量避免支承壓力的強烈影響、疊加影響和多次影響；時間上盡量縮短支承壓力影響時間。2）巷道布置在應力降低區(qū)或原巖應力區(qū)。3）采用無煤柱開采，必須留煤柱時在保證煤柱穩(wěn)定的條件盡可能小。4）如果需要留煤桂保護巷道，所留護巷煤柱尺寸應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）在圍巖受采動影響穩(wěn)定后

15、再掘巷道。7）巷道軸線方向盡量與最大水平主應力方向平行，避免與之垂直。 煤層底板支承應力分布已采區(qū)及其兩側煤柱的應力分布冒落帶；裂隙帶；彎曲下沉帶；A原始應力區(qū)；B1、B2應力增高區(qū)、C應力降低區(qū)；D應力穩(wěn)定區(qū)巷道布置在低壓區(qū)煤體與采空區(qū)交界處底板垂直應力等值線分布上覆巖層容重；H埋藏深度：底板巖石應力升高區(qū)的擴展影響角；Z被跨巷道與上部回采煤層間的法線距；X-被跨巷道與上部回采煤柱邊緣的水平距 （2）提高圍巖強度l 布置在穩(wěn)定巖層中；l 布置錨桿，強化圍巖強度；l 圍巖注漿，提高巖體強度；l 封閉、疏干、防風化，防止圍巖碎裂、強度降低注漿加固圍巖 注漿材料（1）材料類別化學類：丙烯酰胺類、聚氨脂類 水泥類：單液水泥漿；水泥、水玻璃雙液漿； ZKD高水速凝材料（雙液或單液）（3）減小巖體應力1.合理布置巷道： 2.時間、空間上減少巷道承受支承壓力影響，巷道布置在應力降低區(qū)；3.合理設計煤柱尺寸； 4. 巷道卸壓：跨采進行巷道卸壓； 5.開槽卸壓；震動爆破卸壓；6.布置卸壓峒室卸壓進行應力轉移1.巷內開槽孔 2.松動爆破 3.巷道一側或兩側布置巷道 4.巷道頂板掘巷的應力轉移原理與關鍵