巷道圍巖控制概論講座

巷道圍巖控制概論講座第一頁，共七十二頁，2022年，8月28日主要內容動壓巷道礦壓新理論巷道圍巖控制的基本途徑巷道布置與卸壓巷道支護圍巖注漿加固第二頁，共七十二頁，2022年，8月28日1、動壓巷道礦壓新理論

巷道是礦井生產(chǎn)的咽喉，全國每年新掘巷道20000km以上，靜壓巷道小于10%，圍巖控制較好。礦工鋼支護（無采動影響）U型鋼支護的大巷（無采動影響）第三頁，共七十二頁，2022年，8月28日動壓巷道占90%以上，巷道支護成本增加，個別巷道達3000～4000元/m高強弧板支護第四頁，共七十二頁，2022年，8月28日嚴重破壞巷道修復第五頁，共七十二頁，2022年，8月28日動壓巷道圍巖變形嚴重，嚴重影響生產(chǎn)、安全及礦井的經(jīng)濟效益U型鋼支護破壞情況錨桿支護破壞情況第六頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.1圍巖塑性區(qū)分布

圍巖分層顯著，強度與厚度差別大；壓力分布不均勻，4角大；護巷方式不同。塑性區(qū)分布狀態(tài)不均勻，多樣化。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。

(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“＊”型第七頁，共七十二頁，2022年，8月28日現(xiàn)有支護理論“圍巖松動圈”、“新奧法”等對支護形式及支護與圍巖的關系研究較多，在開拓巷道、不受采動影響的采準巷道得到了成功應用。在承受動壓影響的巷道中采用上述理論尚不能完全有效的控制圍巖。第八頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.2巷道圍巖不均勻的整體下沉和局部上升

這是由大面積開采、采動支承壓力和不同護巷方式引起。

圖2相似材料模擬試驗結果u1、u2、u3、u4、u5――下沉曲線D1、D2、D3――破斷曲線第九頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.3巷道底板變形破壞規(guī)律淺部鼓起、深部下沉圖3巷道底板深基點位移圖4巷道底板圍巖垂直位移No――垂直位移為零；N－零應變點第十頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.4加固巷道幫角控制兩幫變形、底板鼓起和頂板離層

兩幫下沉，底角破壞，水平應力擠壓，底板淺部鼓起，頂板離層下沉。圖5東龐礦巷道兩幫下沉圖6黃塘嶺礦巷道兩幫下沉圖第十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日加固巷道幫角的方法：錨桿、注漿。柳新煤礦試驗效果。見表1，表2。

表1支護方式第十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日表2試驗效果對比

試驗編號巷道表面移近量／mmⅠ、Ⅱ項試驗與Ⅲ對比頂?shù)装鍍蓭鸵平繙p少值／mm移近量減少百分數(shù)／%頂?shù)装鍍蓭晚數(shù)装鍍蓭廷?7426458631461.054.3Ⅱ2759068548871.484.4Ⅲ960578

加固巷道幫角的重要意義。

第十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.5基于圍巖承載結構穩(wěn)定的圍巖控制理論巷道圍巖承載結構的形成綜放沿空掘巷與上覆巖層的結構關系第十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日巷道受動壓影響，不同時期、不同位置頂板情況巖層處于相對穩(wěn)定狀態(tài)階段巖層顯著運動階段覆巖穩(wěn)定階段壓力疊加階段第十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日從巷道圍巖承載結構的穩(wěn)定性出發(fā)，研究巷道圍巖控制理論合理確定巷道支護強度及支護方式，降低支護成本，改善巷道維護狀況，為工作面高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件完善現(xiàn)有的巷道圍巖控制理論

第十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日主要研究內容研究巷道圍巖承載結構的形成過程；建立巷道圍巖承載結構模型，建立圍巖承載結構穩(wěn)定的判別式；研究承載結構的變形特點，結構特征；第十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日研究動壓影響區(qū)域開掘巷道承載結構的變化特點；研究巷道承載結構失穩(wěn)對圍巖變形的影響；研究巷道支護對承載結構的穩(wěn)定性控制原理。第十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日2

巷道圍巖控制的基本途徑2.1影響巷道圍巖穩(wěn)定性的三大因素圍巖強度、巖體應力、支護技術第十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日根據(jù)圍巖強度與巖體應力對我國礦井巷道的極限深度提出巷道極限深度，見表3。

表3巷道極限深度表

圍巖單軸抗壓強度／MPa巷道極限深度／m<2015020～30300～40030～60650～750>60>1000第二十頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.2基本途徑（1）提高圍巖強度布置在穩(wěn)定巖層中；布置錨桿，強化圍巖強度；圍巖注漿，提高巖體強度；封閉、疏干、防風化，防止圍巖碎裂、強度降低（2）減小巖體應力?合理布置巷道時間、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)；合理設計煤柱尺寸；考慮最大水平應力的影響?巷道卸壓跨采進行巷道卸壓；開槽卸壓；振動爆破卸壓；布置卸壓峒室卸壓（3）巷道支護?巷道金屬支架作用：給圍巖提供支護阻力；當前注意：可縮性支架的使用界限、連接件、礦工鋼可縮支架、支架壁后密實。?錨桿支護作用：強化圍巖強度；圍巖強度強化理論、高強（超高）強度錨桿、設計方法、復雜條件下的錨桿支護、桁架錨桿支護。第二十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日3巷道布置與卸壓

3.1巷道布置從巷道圍巖穩(wěn)定角度來談布置。要保持圍巖穩(wěn)定，布置巷道時應考慮圍巖強度與巖體應力。（1）采動引起的應力重新分布

圖8已采區(qū)及其兩側煤柱的應力分布Ⅰ－－冒落帶；Ⅱ－裂隙帶；Ⅲ－變曲下沉帶；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)第二十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖9留區(qū)段煤柱時回采空間垂直應力等值線分布

第二十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖10煤體與采空區(qū)交界處底板垂直應力等值線分布γ－上覆巖層容重；H－埋藏深度：φ－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圖11煤柱下方底板垂直應力等值線分布（煤柱載荷均布，應力集中系數(shù)為3）在應力重新分布下，從時間和空間上保證布置的巷道圍巖穩(wěn)定、維護費用低。第二十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日（2）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）如果需要留煤巷保護巷道，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。第二十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.2巷道卸壓（1）利用跨采進行巷道卸壓跨后巷道長期處于應力降低區(qū)；跨采過程中應加強巷道支護（2）開槽卸壓

開槽后應力向深部轉移，卸壓區(qū)圍巖保持穩(wěn)定。卸壓槽可在底板、兩側或全斷面。圖12巷道周邊卸壓后的應力分布Ⅰ－圍巖卸壓區(qū)；Ⅱ－應力升高區(qū)；Ⅲ－原巖應力區(qū)第二十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日（3）松動爆破卸壓

圖13松動爆破卸壓第二十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日（4）巷道一側或兩側布置卸壓巷硐

圖14巷道一側有卸壓巷道時的應力分布

巷道布置方式的變革第二十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日（5）巷道頂部布置卸壓巷硐圖15有無頂部卸壓巷時的巷道圍巖應力分布

第二十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日4巷道支護

4.1金屬支架應用普遍，仍是煤巷支護主要型式之一。（1）剛性與可縮性支架的界限；圍巖移近量200mm。（2）發(fā)展雙槽形夾板式連接件

圖16雙槽夾板式連接件的定位方式a－耳定位；b腰定位第三十頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖17U25雙槽形夾板式連接件力學特性曲線（徐州礦務局）擰緊力矩分別：1－100N·m；2－150N·m；3－200N·m；4－250N·m圖18U25型鋼螺桿夾板式連接件力學特性曲線（擰緊力短：150N·m）第三十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日（3）礦工鋼梯形可縮性支架可進一步發(fā)展用于圍巖變形量中等的條件；增加的費用不多，可選擇側向、垂直或兩者可縮（4）支架壁后充填、支架圍巖緊密接觸圖19拱形支架載荷分布的5種情況a－均布載荷；b－頂壓大側壓??；c－側壓大頂壓小；d－側壓力大；e－側肩壓大注：圖中數(shù)字為載荷大小比例U29直腿拱形支加(凈斷面積8.7m2)計算：a－269kN;b―322kN;c―252kN;d―110kN;e―44KN；應改變e、d狀況。第三十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日4.2錨桿支護

（1）技術經(jīng)濟優(yōu)越性我國煤礦第二次支護技術革命；主動支護；強化圍巖強度，保持圍巖穩(wěn)定；施工簡單；成本較低；改善作業(yè)環(huán)境；促進礦井高產(chǎn)高效；推動巷道布置改革第三十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日4.2錨桿支護

（2）圍巖強度強化理論煤巷圍巖松軟破碎，應力高；塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍大；巖體處于峰后強度、殘余強度；破裂圍巖中錨桿的作用機理？

第三十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖20錨桿布置在破裂圍巖中、C＊、隨σt的增加而提高。＊錨固體C、第三十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日表4不同錨桿支護強度下錨固體破壞前的C、值

錨桿支護強度σt/MPa00.060.080.110.140.170.22等效內聚力C／MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效內摩擦角／（°）31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4表5不同錨桿支護強度下錨固體破壞后的C＊、＊值

錨桿支護強度σt/MPa00.060.080.110.140.170.22等效內聚力C＊／MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.0210.3869等效內摩擦角＊／（°）31.5131.5333.5135.5737.2440.440.4第三十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖21錨固體應力應變曲線圖注：曲線上數(shù)字為錨桿支護強度σt（MPa）第三十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日（3）高（超高）強度錨桿支護系統(tǒng)

（r=0.968）(1)(r=0.967)(2)發(fā)展高（超高）強度錨桿的理論依據(jù)。第三十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日錨桿初錨力、支護強度的重要性原則：圍巖穩(wěn)定，支護費用低；依據(jù)：圍巖強度強化理論；方法：實測為依據(jù)，數(shù)值計算耦合的方法。表6綜放沿空掘巷錨桿初錨力與支護強度礦名初錨力（kN）支護強度（MPa）興隆莊煤礦20～300.2～0.3王莊煤礦15～250.15～0.25適當提高初錨力；提高單根錨桿承載能力，途徑：保證加工質量，提高錨桿材料的強度?？缮扉L增強錨桿、高強度錨桿：對尾部螺紋部分熱處理；超高強度錨桿：對整根錨桿熱處理。

第三十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日“三徑”合理匹配：錨固力高、錨固成本低表7“三徑”合理匹配表構體結構錨固劑環(huán)形厚度（mm）合理值最佳值左旋螺紋鋼4～105～6建筑螺紋鋼6～127～8第四十頁，共七十二頁，2022年，8月28日作用：防止錨固正外過大離層，防止巷道頂板兩角和剪切破壞。承載能力設計準則：按巷道頂板兩角免遭剪切；破壞存在的問題：鋼鉸線直徑與孔徑不匹配，延伸率低（僅3.5％），承載能力低（240KN）小孔徑錨索第四十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日（4）動態(tài)系統(tǒng)設計方法錨桿支護三種設計方法：工程類比法；理論計算法；數(shù)值模擬分析。動態(tài)系統(tǒng)設計方法的內容（步驟）：1）含地應力測試的地質力學評估；2）以數(shù)值模擬為主的初始設計；3）對方案進行圍巖穩(wěn)定性分析；4）施工；5）現(xiàn)場監(jiān)測；6）信息反饋與修改完善設計。第四十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日錨桿支護專用設計軟件：自動設計和分析處理步驟：1）輸入原始地質、力學資料，巷道特征，各種支護方案；2）自動進行原始參數(shù)轉換、建模、劃分單元、形成若干方案；3）選優(yōu)：控制圍巖變形好，費用低；4）輸出最優(yōu)方案，輸出內容：方案內容，圍巖變形圖，塑性區(qū)分布圖，各種分析圖，錨桿支護與材料消耗表，錨桿布置與施工圖；5）監(jiān)測信息反饋：5個反饋信息指標，輸入圍巖穩(wěn)定性判斷準則，修改或不修改設計，輸出修改意見和支護具體措施。應用專用設計軟件，在生產(chǎn)單位推廣動態(tài)系統(tǒng)設計法。第四十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日（5）困難復雜條件下的煤巷錨桿支護

包括軟巖、深井、沿空、構造壓力大，強烈底鼓巷道，主要是Ⅳ、Ⅴ類巷道支護方案根據(jù)不同條件具體確定。

圖23相似材料模擬試驗結果u1、u2、u3、u4、u5――下沉曲線D1、D2、D3――破斷曲線第四十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日基本支護準則和方法：1)頂板：全長錨固或加強錨固，高（超高）強度錨桿；2）兩幫：加長錨固可伸長增強錨桿；3）

加固巷道角控制兩幫變形、底板鼓起和頂板離層；關鍵是控制兩幫下沉和底角破壞。4）

錨索加強與圍巖注漿加固；5）

錨桿與金屬支架聯(lián)合支護。第四十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日（6）綜放沿空掘巷圍巖大、小結構的穩(wěn)定性原理大、小結構概念大結構：包括頂煤、直接頂、老頂及其上載荷巖層的結構小結構：巷道錨桿組合支護與錨固體大結構的穩(wěn)定性分析：掘巷前；掘巷時；掘巷后；回采時第四十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖24綜放沿空掘巷與上覆巖層的結構關系(a)

平面；(b)剖面1－綜放實體煤巷道；2－綜放開切眼；3－綜放沿空掘巷第四十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖25回采時綜放巷道與上覆巖體大結構的關系(a)

平面；(b)剖面；1－綜放實體煤巷道；2－綜放開切眼；3－綜放沿空巷道；M’－關鍵塊B的回轉力矩；M－本工作面老頂巖層斷裂，巖塊A的回轉力矩第四十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日小結構的穩(wěn)定性分析1）沿空側護巷窄煤柱的寬度式中：－因上區(qū)段工作面開采而在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中產(chǎn)生的破碎區(qū)，其寬度[9]為：式中：m－上區(qū)段平巷高度，m；A－側壓系數(shù)，―泊松比－煤體的內摩擦角，C0―煤體的粘聚力，MPa；k―應力集中系數(shù)，；γ―巖層平均容重，kN/m3；H－巷道埋藏深度，m；Px－對煤幫的支護阻力，如上區(qū)段采空側支護已拆除，可取Px＝0。第四十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日～5.0m。

－巷道窄煤柱一幫錨桿有效長度，再增加15％富裕系數(shù)，m；－考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按計算對于中等穩(wěn)定圍巖的綜放沿空掘巷，第五十頁，共七十二頁，2022年，8月28日2)強化圍巖強度，確度錨桿支護強度強化圍巖強度后能在大結構回轉下沉影響下保持圍巖穩(wěn)定，保證足夠的錨桿初錨力與支護強度。綜放兩道圍巖變形規(guī)律表8巷道圍巖變形量對比表序對比項目實體煤巷道沿空掘巷1頂板、兩幫變形110~152回采期間與掘巷期間圍巖變形比值1.2~1.55~63兩幫變形與頂?shù)装遄冃伪戎?2~2.5第五十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖26工作面前方500～530m處沿空巷道支護狀況圖27工作面前方40～30m處沿空巷道支護狀況第五十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日（7）桁架錨桿桁架錨桿對圍巖強度的強化更為突出拉桿預緊力的重要作用圖28單式桁架錨桿的支護原理

第五十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖29東龐礦桁架錨桿布置圖第五十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日

圖30開切眼支護狀況第五十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日巷道斷面加大也是巷道布置改革的方向之一。優(yōu)點：允許變形運輸方便便于機械化掘進第五十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日5圍巖注漿加固5.1提高強度、充填裂隙、封閉水源、隔絕空氣表9煤、巖試塊破壞前和注漿后抗壓強度實驗結果第五十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日5.2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）（2）ZKD高水速凝材料1）機理：硫鋁酸鹽水泥熟料、石灰、石膏、若干種添加劑水化生成鈣礬石結晶水體積比占81.6%，再吸附大量水，水體積比達到90％（重量比2.5:1）。第五十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日2）高水和中低水的分界圖31漿體流動性參數(shù)與水用量關系曲線2－配料漿3－主料漿4－配料漿1－主料漿第五十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日3）ZKD材料性能

圖32水泥漿液和高水材料的性質與水灰比的關系第六十頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖33單軸條件下固結體試塊變形曲線

第六十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖34不同圍壓條件下固結體應力應變曲線1．2．3．4．5－分別代表圍壓為0.13、0.26、0.38、0.50、0.75Mpa時的曲線高水條件下微膨脹；空氣中易風化失水（注入巖體、水中、或密封，防風化）第六十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日5.3圍巖超前注漿使用條件：圍巖地應力不大，松軟破碎

5.4圍巖滯后注漿

1)注漿帶后時間圖35巖石變形與滲透關系曲線圖36權臺煤礦3116上分層回風平巷掘頭后方巷道圍巖裂隙分布

圍巖裂隙發(fā)展變慢或前后進入掘后穩(wěn)定期不久第六十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日（2）注漿孔深度破碎區(qū)應完全固結，并超過此區(qū)，盡可能深，一般2m左右。（3）注漿壓力不超過巖石單軸抗壓強度的1／3。圍巖嚴重破碎時0.5Mpa，較破碎時1.0Mpa，裂隙較小時1.0～2.0Mpa，最高不超過3Mpa。（4）漿液滲透半徑與注漿孔布置滲透半徑取決于注漿壓力、圍巖力學性質、裂隙密度及張開度、漿液的流動力學參數(shù)及初凝時間等。一般采用滲透公式初步計算后由現(xiàn)場試驗確定。注漿孔間排距，要求兩孔滲透半徑貫通，可取0.8×2×滲透半徑。一般在2m左右。注漿位置根據(jù)需要，可幫角、頂板或全斷面。第六十四頁，