巷道矿压显现规律

7巷道矿压显现规律 7 1巷道围岩应力及变形规律7 2采动影响巷道矿压显现规律7 3巷道围岩控制原理 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 1 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力巷道开掘前的未经采动影响岩体通常处于弹性变形状态 巷道开掘以后 围岩应力出现重新分布 巷道围岩内出现应力集中 根据围岩强度与应力的大小可能有三种情况 典型岩石单轴压缩全应力 应变曲线 弹性变形阶段 塑性软化阶段 流动变形阶段 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 1 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力 圆形巷道为例 情况1 岩体强度足够大 围岩仍然处于弹性状态 情况2 围岩出现应变软化 但未达到流动阶段 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 1 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力 情况3 部分围岩已经达到流动阶段 1 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 1 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 讨论 1 传统圆形巷道弹塑性理论解答的主要意义 理论解释了支护阻力增大巷道变形减小的道理 理论解释了岩石力学性质对巷道围岩应力重新分布和变形的影响 2 按照围岩应力与其强度的相对关系 巷道掘进以后 围岩应力重新分布形成的流动区 应变软化区岩石处于相对极限平衡状态 应力达到岩石的强度 而处于弹性区的围岩越往深处围岩强度越大于所受应力 2 回采工作面周围支承压力分布 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 图7 3采空区应力重新分布概貌 1 超前支承压力 2 3 侧向固定支承压力 4 采空区支承压力 2 回采工作面周围支承压力分布 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 图7 3 需要指出的是 表中指的是没有其他采面影响情况 如果有相邻工作面 出现侧向固定支承压力与超前支承压力叠加 应力增高系数更大 可达5 7 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 图2 21 22 2 回采工作面周围支承压力分布 德国埃森采矿研究中心数值计算结果 介质为弹性体 原岩应力25MPa 3 采动引起的底板岩层应力分布 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 图7 5a 1 一侧采空煤体 煤体支承压力近似三角形分布 应力增高系数3左右 煤柱较大时 煤体支承压力影响深度约为1 5 2倍煤柱宽度 底板岩层内应力呈扩展状态 数值等于自重应力的等应力线与煤柱边缘垂直线的夹角30 40 底板岩层内同一水平面上支承压力最大值在煤体下方 距采空区边缘数米处 3 采动引起的底板岩层应力分布 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 图7 5b 2 二侧采空窄煤柱 煤柱内的支承压力呈钟形分布 应力增高系数为5左右 煤柱支承压力影响深度约为3 4倍煤柱宽度 底板岩层内应力呈扩展状态 底板岩层内同一水平面上 垂直支承压力以煤柱中心线处最大 数值等于自重应力的等应力线与煤柱边缘垂直线的夹角30 40 3 采动引起的底板岩层应力分布 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 图7 5c 3 二侧采空宽煤柱 煤柱内的支承压力呈马鞍形分布 应力增高系数为3 5左右 底板岩层内同一水平面上 支承压力以煤柱中心线处较小 靠近煤柱边缘出现峰值 底板岩层内应力呈扩展状态 数值等于自重应力的等应力线与煤柱边缘垂直线的夹角30 40 3 采动引起的底板岩层应力分布 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 1受采动影响巷道的围岩应力 4 煤柱下方底板岩层一定范围内形成增压区的同时 附近还存在一定范围的应力降低区 底板受采动影响过程中 随工作面推进 在高度集中中急剧卸压 在铅直方向产生压缩和膨胀 伴生出水平方向的压缩和膨胀 出现水平应力升高区和卸压区 1 巷道围岩应力影响带 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 巷道开掘以后 其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 1 巷道围岩应力影响带 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 在静水压应力场中 弹性变形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 1 断面相同两圆形巷道的间距D为 6r D 12r 2 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 书P198提供了数值计算岩体力学参数取值参考 2 巷间岩柱的稳定性 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 岩柱的稳定性取决于岩柱的载荷和岩柱的强度 岩柱强度经验计算式 1 Obert Dwvall Wang 1967 计算式 2 Bieniawski 1968 计算式 3 相邻巷道间合理距离 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 相邻巷道间的合理间距应该综合巷道宽度 巷道埋深 围岩强度 岩层倾角 巷道与岩层走向夹角等因素确定 我国煤矿目前采深条件下的一般经验 1 大巷间距离20 40m 围岩较稳定取小值 不稳定取大值 在浅部 坚硬围岩或急倾斜条件下 可减小至10m 在深部或松软围岩条件下 可增大至50m 2 上下山及集中巷间距15 30m 围岩较稳定取小值 不稳定取大值 在浅部 坚硬围岩或急倾斜煤层条件下 可减小到10m 在深部 松软围岩或厚煤层内 应扩大到40 50m 3 相邻巷道间合理距离 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 国外经验 前 苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程 相邻巷道间合理距离计算 D a1 a2 K1表7 2巷道相互影响系数K1取值 书P199 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 3构造应力对巷道稳定性的影响 图7 7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 合理巷道布置方向 巷道轴向与构造应力方向平行最佳 垂直最差 夹角25 30 影响无明显变化 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 4受采动影响巷道的围岩变形 1 反映巷道围岩变形量的常用指标 巷道顶板下沉量 底板臌起量 顶底移近量 巷帮移近量 两帮移近量 深部围岩移近量等 巷道顶底指巷道中心线高度减少值 两帮移近量指巷道沿腰线水平的宽度减少值 2 采动影响巷道围岩变形量组成 主要由掘进引起的变形 回采引起的变形 采掘影响趋于稳定后的围岩流变组成 1 巷道围岩变形量的构成 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 4受采动影响巷道的围岩变形 2 巷道围岩变形规律 五阶段 巷道掘进影响阶段 掘进影响稳定阶段 采动影响阶段 采动影响稳定阶段 二次采动影响阶段 图7 9 7 1巷道围岩应力及变形规律7 1 4受采动影响巷道的围岩变形 2 巷道围岩变形规律 五阶段 表7 3采区平巷不同矿压显现带内顶底移近规律 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 1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 巷道位置可以分为五种类型 1 本煤层巷道 2 底板巷道 3 顶板巷道 4 厚煤层中 下分层巷道 5 相邻煤层巷道 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 2区段巷道的位置和矿压显现规律 1 区段巷道的布置方式 1 两侧均为未受采动的煤体 即煤体 煤体巷道 2 一侧煤体 一侧煤柱 即煤体 煤柱巷道 细分采动稳定后掘进和回采过程中掘进 3 一侧煤体 一侧采空区 即煤体 无煤柱巷道 沿空掘巷 沿空留巷 图7 10 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 2区段巷道的位置和矿压显现规律 2 区段巷道矿压显现规律 1 煤体 煤体巷道 围岩变形经历巷道掘进影响 掘进影响稳定和采动前影响三个阶段 2 采动稳定后掘进的煤体 煤柱巷道 沿空掘进巷道 围岩变形经历巷道掘进影响 掘进影响稳定和采动前影响三个阶段 但是 巷道服务期内始终受相邻区段侧固定支承压力影响 三个阶段的围岩变形均大于煤体 煤体巷道 3 回采过程中掘进的煤体 煤柱巷道 沿空留巷 围岩的变形经历全部五个阶段 围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后掘进巷道 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 2区段巷道的位置和矿压显现规律 3 厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律 厚煤层中 下分层区段巷道相对本层工作面仍然有煤体 煤体 煤体 煤柱 采动稳定 正采动 煤体 无煤柱 采动稳定 正采动 三种布置方式 与上部分层主要有三种位置关系 布置在已稳定采空区下方 附近无上分层遗留煤柱 布置在已稳定采空区下方 附近并在上分层遗留煤柱附近 布置在上分层保护煤柱下部 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 3底板巷道的位置和矿压显现规律 1 底板巷道的位置 图7 11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 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 3底板巷道的位置和矿压显现规律 2 底板巷道矿压显现规律 图7 11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 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 3底板巷道的位置和矿压显现规律 3 厚煤层主要巷道的布置方式 20世纪50年代至60年代初期 在厚煤层内布置区段集中巷 上 下山甚至大巷 一般沿底板掘进 两侧留保护煤柱 自60年代起 底板岩巷替代煤巷 维护好 目前 在厚煤层内布置上 下山甚至大巷 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 4上 下山巷道的位置和矿压显现规律 a位于煤层内用煤柱保护的上下山 b位于底板内用煤柱保护的上下山 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 4上 下山巷道的位置和矿压显现规律 c位于底板内 不留上下山保护煤柱 后采翼跨采 d位于底板内 不留上下山保护煤柱 先采翼跨采 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5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 因此 在开采空间合理距离范围内 巷道应布置在相对稳定的岩层内 本煤层巷与开采空间在同一层面内 它的位置参数是巷道与采空区边缘的距离 即保护煤柱的宽度 底板巷道与开采煤层不在同一层面内 它的位置参数是巷道与上部煤层之间的垂直距离z 巷道与上部煤柱边缘之间的水平距离x 煤柱宽度B 巷道布置类型及布置参数见书P208图7 16 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 1 巷道围岩变形与z x值的关系 图7 17巷道围岩变形与z值之间的关系曲线1 区段集中巷 2 盘区上山 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 1 巷道围岩变形与z x值的关系 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 1 两帮移近 2 顶底移近 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 1 巷道围岩变形与z x值的关系 图7 19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2 1 两帮移近 2 顶底移近 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 2 巷道位置参数的选择 1 底板岩层中应力分布区域 图7 19底板岩层应力分布区域 原岩应力区 应力集中区 卸压区 应力恢复区 A 拉伸破裂区 B C 剪切滑移区 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 2 巷道位置参数的选择 2 巷道稳定性指数巷道开掘前所处位置的最大主应力与巷道围岩单轴抗压强度的比值称为巷道稳定性指数 巷道稳定性指数可以作为确定巷道位置参数的依据 表7 4巷道围岩稳定性指数 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 2 巷道位置参数的选择 3 计算底板巷道位置参数 见书P210 图7 21 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 5巷道位置参数的选择 2 巷道位置参数的选择 4 计算顶板巷道位置参数 见书P211 7 2受采动影响巷道矿压显现规律7 2 6综放面回采巷道矿压显现特点 42 7 2 6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 1000mm 顶底板平均移近速度增加12mm d 柏建彪教授 bjianb 43 7 3巷道围岩控制原理7 3 1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 松动围岩压力 变形围岩压力 膨胀围岩压力 冲击和撞击围岩压力 柏建彪教授 bjianb 44 1 松动围岩压力由于巷道开挖而松动或塌落的岩体 以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力 表现为松动围岩压力载荷形式 如支护不能有效地控制围岩变形的发展 围岩形成松动垮塌圈时 将导致松动围岩压力出现 通常顶压显现严重 柏建彪教授 bjianb 45 2 变形围岩压力支护能控制围岩变形的发展时 围岩位移挤压支架而产生的压力 称为变形围岩压力 简称变形压力 弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力 弹性变形产生速度极快 变形量很小 实际意义不大 塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂 围岩向巷道空间位移 使支护结构受到的压力 是变形围岩压力的主要形式 柏建彪教授 bjianb 46 3 膨胀围岩压力围岩膨胀 崩解体积增大而施加于支护上的压力 称为膨胀压力 膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的 两者的变形机制截然不同 前者是指与水发生物理化学反应 后者主要是围岩应力与结构效应 4 冲击和撞击围岩压力冲击围岩压力指围岩积累了大量弹性变形能之后 突然释放出来所产生的压力 撞击围岩压力是回采工作面上覆岩层剧烈运动时对巷道支护体所产生的压力 47 48 49 7 3 2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 控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取的技术和方法的总和 基本原理 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 50 2 巷道布置 1 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 2 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 51 3 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 4 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 5 相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度 6 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 52 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 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 提高围岩强度 优化围岩受力条件和赋存环境 53 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 54 7 3 3巷道围岩稳定性分类及支护选择1 巷道围岩稳定性分类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 围岩强度方面巷道顶板岩石单向抗压强度 煤层单向抗压强度巷道底板岩石单向抗压强度 围岩岩体完整性指数 55 56 表7 5回采巷道围岩稳定性分类指标聚类中心值 57 58 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