高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)及工程應(yīng)用研究課件

高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)與工程應(yīng)用研究完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)匯報：姚強嶺博士導(dǎo)師：李學(xué)華教授高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)與工程應(yīng)用研究完成單位：中國礦業(yè)大1研究背景總體研究思路主要研究內(nèi)容對推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的作用匯報提綱研究背景匯報提綱2研究對象之一：動壓巷道。煤層開采引起的采動應(yīng)力通常為原巖應(yīng)力的3~10倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴(yán)重破壞。1研究背景研究對象之一：動壓巷道。13研究對象之二：高應(yīng)力軟巖巷道。是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著顯著的塑性變形和非連續(xù)變形的巷道。工程力指作用在巷道圍巖的力之和，包括自重應(yīng)力、殘余構(gòu)造應(yīng)力、水的作用力，采動影響力及膨脹應(yīng)力等。1研究背景研究對象之二：高應(yīng)力軟巖巷道。14研究對象之三：深井巷道。根據(jù)我國煤礦的巷道支護(hù)技術(shù)水平和地質(zhì)條件，一般將800m作為深部開采的標(biāo)準(zhǔn)，部分軟巖礦井的深部開采標(biāo)準(zhǔn)可定為600m或更淺。1研究背景研究對象之三：深井巷道。15以上三類巷道以及這三類巷道的復(fù)合型巷道均為高應(yīng)力巷道，是本研究的主要對象。這些高應(yīng)力巷道在其服務(wù)期間圍巖塑性區(qū)大，變形十分嚴(yán)重，少則幾百毫米，多則1.0~2.0m。巷道在服務(wù)期間需要進(jìn)行不斷的維護(hù)與返修，特別是它們的兩類或三類的復(fù)合型，問題更為突出。嚴(yán)重時，在巷道掘進(jìn)或使用期間將會在巷道中引發(fā)煤與瓦斯突出，甚至巖爆等動力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。這不但造成巷道支護(hù)成本高，而且造成煤炭資源開采的極端困難，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。這種局面將成為我國煤礦今后必須長期面對的開采技術(shù)難題。1研究背景以上三類巷道以及這三類巷道的復(fù)合型巷道均為高應(yīng)力巷道，是本研6巷道圍巖控制的基本原理如下式。2總體研究思路傳統(tǒng)的控制方法主要是：其一，提高圍巖強度（如注漿加固、錨注等）；其二，合理的支護(hù)技術(shù)（如砌碹、架棚、錨網(wǎng)等）。巷道圍巖控制的基本原理如下式。2傳統(tǒng)的控制方法主要是：其一，7針對高應(yīng)力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以解決高應(yīng)力巷道難維護(hù)的問題。應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論與技術(shù)，是從引起巷道圍巖變形破壞的力學(xué)環(huán)境為著眼點，以控制巷道圍巖應(yīng)力為中心，將高應(yīng)力轉(zhuǎn)化為低應(yīng)力，這樣可以顯著減小巷道圍巖塑性區(qū)和圍巖變形量，達(dá)到實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定的控制目標(biāo)。2總體研究思路針對高應(yīng)力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以8創(chuàng)立了巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移新理論理論的實質(zhì)在于：通過人為在巷道內(nèi)部或外部形成若干圍巖松動或破壞區(qū)域，可將巷道淺部圍巖的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離巷道的深部，使巷道處于相對較低的應(yīng)力區(qū)中；改變巷道淺部圍巖中的應(yīng)力分布狀態(tài)，使其對巷道維護(hù)相對有利；巷道受采動影響時，可以改變向巷道圍巖傳遞應(yīng)力的路徑，或減弱應(yīng)力傳遞的強度，相對減小外部應(yīng)力環(huán)境對巷道的影響。通過以上作用，從根本上消除或減弱高應(yīng)力影響，達(dá)到有效控制圍巖變形的目的。3主要研究內(nèi)容創(chuàng)立了巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移新理論理論的實質(zhì)在于：通過人為在巷道內(nèi)9之一：頂部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)為：硐室距上部軟弱區(qū)的垂距、軟弱區(qū)的范圍。3主要研究內(nèi)容之一：頂部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)10技術(shù)關(guān)鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側(cè)開掘兩條與硐室平行的小斷面巷道，然后在巷道間進(jìn)行松動爆破，在硐室上方構(gòu)建一個寬19m、長60m的松動區(qū)。3主要研究內(nèi)容效果：開掘應(yīng)力轉(zhuǎn)移巷后最大應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.6，是不開掘應(yīng)力轉(zhuǎn)移巷時的30%。實測表明，受采動影響期間，硐室頂?shù)装逡平坷塾嫗?4mm，兩幫移近量累計為31mm，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。技術(shù)關(guān)鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側(cè)開掘兩條與硐室平行的小斷11之二：底部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)為：底板巷道與硐室的垂直相對位置、底板巷道與硐室的水平相對位置、底板巷道是否進(jìn)行爆破松動、松動爆破的范圍。3主要研究內(nèi)容之二：底部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)12技術(shù)關(guān)鍵：在硐室底板兩側(cè)開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.0m（寬×高），巷道距硐室底板4.0m，距主硐室兩幫的距離均為1.0m。兩個巷道之間可根據(jù)情況選擇爆破方式連通或半連通以達(dá)到應(yīng)力轉(zhuǎn)移的目的。3主要研究內(nèi)容技術(shù)關(guān)鍵：在硐室底板兩側(cè)開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.013效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)后，圍巖垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果十分明顯，約為原來應(yīng)力的1/5左右。硐室兩幫的相對移近量一般均在40mm之內(nèi)。硐室底鼓量均在10mm之內(nèi)，且為均勻底鼓，硐室基礎(chǔ)未受到破壞。3主要研究內(nèi)容效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)后，圍巖垂直應(yīng)14之三：上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理為：下部煤層先行開采后，在采空區(qū)上方形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，上部煤層處于裂隙帶或彎曲下沉內(nèi)。此時上部煤層中的巷道處于低應(yīng)力區(qū)，易于維護(hù)。3主要研究內(nèi)容四煤采空區(qū)二煤層之三：上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理為：下部煤層先行開15效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的50%減小為：頂?shù)装逡平孔畲蟛怀^250mm，兩幫水平移近量也不超過250mm，基本上實現(xiàn)了零維修。3主要研究內(nèi)容效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的516之四：巷道底板深部反拱及應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如下。技術(shù)關(guān)鍵主要有：裝藥量和炮孔間排距、爆破區(qū)域的范圍、炮孔深度等。3主要研究內(nèi)容之四：巷道底板深部反拱及應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如下。技術(shù)17現(xiàn)場實施效果：在該絞車房采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)方案后，對圍巖變形結(jié)果監(jiān)測顯示，硐室底鼓顯著降低，底鼓量僅為原絞車房底鼓量的1/3。3主要研究內(nèi)容現(xiàn)場實施效果：在該絞車房采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)方案后，對圍巖變形結(jié)18之五：掘進(jìn)工作面超前鉆孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)3主要研究內(nèi)容之五：掘進(jìn)工作面超前鉆孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理與關(guān)鍵技術(shù)19效果：對比如下圖。可見，在迎頭打超前鉆孔將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部后，巷道圍巖變形比不打超前鉆孔時明顯減??；而且在現(xiàn)場施工過程中發(fā)現(xiàn)，未打超前鉆孔段巷道頂板破碎，需要反復(fù)清底，而打超前鉆孔段巷道頂板較完整，便于支護(hù)，而且只進(jìn)行一次清底。3主要研究內(nèi)容效果：對比如下圖?？梢?，在迎頭打超前鉆孔將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部后，20隨著我國煤礦開采深度和難度的進(jìn)一步增加，深部礦井、高應(yīng)力區(qū)域、以及圍巖松軟等條件下的巷道維護(hù)問題將會日趨嚴(yán)重，巷道圍巖的變形破壞控制十分困難，該項研究成果對解決這類問題具有重要的理論意義和實用價值，在其他條件類似的地下工程中也有廣泛的推廣應(yīng)用前景。4對推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的作用隨著我國煤礦開采深度和難度的進(jìn)一步增加，深部礦井、高應(yīng)力區(qū)域21謝謝謝謝22高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)與工程應(yīng)用研究完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)匯報：姚強嶺博士導(dǎo)師：李學(xué)華教授高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)與工程應(yīng)用研究完成單位：中國礦業(yè)大23研究背景總體研究思路主要研究內(nèi)容對推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的作用匯報提綱研究背景匯報提綱24研究對象之一：動壓巷道。煤層開采引起的采動應(yīng)力通常為原巖應(yīng)力的3~10倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴(yán)重破壞。1研究背景研究對象之一：動壓巷道。125研究對象之二：高應(yīng)力軟巖巷道。是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著顯著的塑性變形和非連續(xù)變形的巷道。工程力指作用在巷道圍巖的力之和，包括自重應(yīng)力、殘余構(gòu)造應(yīng)力、水的作用力，采動影響力及膨脹應(yīng)力等。1研究背景研究對象之二：高應(yīng)力軟巖巷道。126研究對象之三：深井巷道。根據(jù)我國煤礦的巷道支護(hù)技術(shù)水平和地質(zhì)條件，一般將800m作為深部開采的標(biāo)準(zhǔn)，部分軟巖礦井的深部開采標(biāo)準(zhǔn)可定為600m或更淺。1研究背景研究對象之三：深井巷道。127以上三類巷道以及這三類巷道的復(fù)合型巷道均為高應(yīng)力巷道，是本研究的主要對象。這些高應(yīng)力巷道在其服務(wù)期間圍巖塑性區(qū)大，變形十分嚴(yán)重，少則幾百毫米，多則1.0~2.0m。巷道在服務(wù)期間需要進(jìn)行不斷的維護(hù)與返修，特別是它們的兩類或三類的復(fù)合型，問題更為突出。嚴(yán)重時，在巷道掘進(jìn)或使用期間將會在巷道中引發(fā)煤與瓦斯突出，甚至巖爆等動力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。這不但造成巷道支護(hù)成本高，而且造成煤炭資源開采的極端困難，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。這種局面將成為我國煤礦今后必須長期面對的開采技術(shù)難題。1研究背景以上三類巷道以及這三類巷道的復(fù)合型巷道均為高應(yīng)力巷道，是本研28巷道圍巖控制的基本原理如下式。2總體研究思路傳統(tǒng)的控制方法主要是：其一，提高圍巖強度（如注漿加固、錨注等）；其二，合理的支護(hù)技術(shù)（如砌碹、架棚、錨網(wǎng)等）。巷道圍巖控制的基本原理如下式。2傳統(tǒng)的控制方法主要是：其一，29針對高應(yīng)力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以解決高應(yīng)力巷道難維護(hù)的問題。應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論與技術(shù)，是從引起巷道圍巖變形破壞的力學(xué)環(huán)境為著眼點，以控制巷道圍巖應(yīng)力為中心，將高應(yīng)力轉(zhuǎn)化為低應(yīng)力，這樣可以顯著減小巷道圍巖塑性區(qū)和圍巖變形量，達(dá)到實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定的控制目標(biāo)。2總體研究思路針對高應(yīng)力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以30創(chuàng)立了巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移新理論理論的實質(zhì)在于：通過人為在巷道內(nèi)部或外部形成若干圍巖松動或破壞區(qū)域，可將巷道淺部圍巖的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離巷道的深部，使巷道處于相對較低的應(yīng)力區(qū)中；改變巷道淺部圍巖中的應(yīng)力分布狀態(tài)，使其對巷道維護(hù)相對有利；巷道受采動影響時，可以改變向巷道圍巖傳遞應(yīng)力的路徑，或減弱應(yīng)力傳遞的強度，相對減小外部應(yīng)力環(huán)境對巷道的影響。通過以上作用，從根本上消除或減弱高應(yīng)力影響，達(dá)到有效控制圍巖變形的目的。3主要研究內(nèi)容創(chuàng)立了巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移新理論理論的實質(zhì)在于：通過人為在巷道內(nèi)31之一：頂部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)為：硐室距上部軟弱區(qū)的垂距、軟弱區(qū)的范圍。3主要研究內(nèi)容之一：頂部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)32技術(shù)關(guān)鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側(cè)開掘兩條與硐室平行的小斷面巷道，然后在巷道間進(jìn)行松動爆破，在硐室上方構(gòu)建一個寬19m、長60m的松動區(qū)。3主要研究內(nèi)容效果：開掘應(yīng)力轉(zhuǎn)移巷后最大應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.6，是不開掘應(yīng)力轉(zhuǎn)移巷時的30%。實測表明，受采動影響期間，硐室頂?shù)装逡平坷塾嫗?4mm，兩幫移近量累計為31mm，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。技術(shù)關(guān)鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側(cè)開掘兩條與硐室平行的小斷33之二：底部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)為：底板巷道與硐室的垂直相對位置、底板巷道與硐室的水平相對位置、底板巷道是否進(jìn)行爆破松動、松動爆破的范圍。3主要研究內(nèi)容之二：底部構(gòu)建軟弱區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如圖。關(guān)鍵參數(shù)34技術(shù)關(guān)鍵：在硐室底板兩側(cè)開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.0m（寬×高），巷道距硐室底板4.0m，距主硐室兩幫的距離均為1.0m。兩個巷道之間可根據(jù)情況選擇爆破方式連通或半連通以達(dá)到應(yīng)力轉(zhuǎn)移的目的。3主要研究內(nèi)容技術(shù)關(guān)鍵：在硐室底板兩側(cè)開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.035效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)后，圍巖垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果十分明顯，約為原來應(yīng)力的1/5左右。硐室兩幫的相對移近量一般均在40mm之內(nèi)。硐室底鼓量均在10mm之內(nèi)，且為均勻底鼓，硐室基礎(chǔ)未受到破壞。3主要研究內(nèi)容效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)后，圍巖垂直應(yīng)36之三：上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理為：下部煤層先行開采后，在采空區(qū)上方形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，上部煤層處于裂隙帶或彎曲下沉內(nèi)。此時上部煤層中的巷道處于低應(yīng)力區(qū)，易于維護(hù)。3主要研究內(nèi)容四煤采空區(qū)二煤層之三：上行開采的應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理為：下部煤層先行開37效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的50%減小為：頂?shù)装逡平孔畲蟛怀^250mm，兩幫水平移近量也不超過250mm，基本上實現(xiàn)了零維修。3主要研究內(nèi)容效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的538之四：巷道底板深部反拱及應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如下。技術(shù)關(guān)鍵主要有：裝藥量和炮孔間排距、爆破區(qū)域的范圍、炮孔深度等。3主要研究內(nèi)容之四：巷道底板深部反拱及應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理如下。技術(shù)39現(xiàn)場實施效果：在該絞車房采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)方案后，對圍巖變形結(jié)果監(jiān)測顯示，硐室底鼓顯著降低，底鼓量僅為原絞車房底鼓量的1/3。3主要研究內(nèi)容現(xiàn)場實施效果：在該絞車房采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)方案后，對圍巖變形結(jié)40之五：掘進(jìn)工作面超前鉆孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)3主要研究內(nèi)容之五：掘進(jìn)工作面超前鉆孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與技術(shù)基本原理與關(guān)鍵技術(shù)41效果：對比如下圖。可見，在迎頭打超前鉆孔將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部后，巷道圍巖變形比不打超前鉆