巷道围岩控制概论讲座

主要内容 动压巷道矿压新理论 巷道围岩控制的基本途径 巷道布置与卸压 巷道支护 围岩注浆加固 1 动压巷道矿压新理论 巷道是矿井生产的咽喉 全国每年新掘巷道20000km以上 静压巷道小于10 围岩控制较好 矿工钢支护 无采动影响 U型钢支护的大巷 无采动影响 动压巷道占90 以上 巷道支护成本增加 个别巷道达3000 4000元 m 高强弧板支护 严重破坏巷道修复 动压巷道围岩变形严重 严重影响生产 安全及矿井的经济效益 U型钢支护破坏情况 锚杆支护破坏情况 1 1围岩塑性区分布围岩分层显著 强度与厚度差别大 压力分布不均匀 4角大 护巷方式不同 塑性区分布状态不均匀 多样化 与圆形巷道 基本巷道分布状态不同 是研究动压 软岩巷道矿压的基础 a 实体煤巷道 b 煤柱巷道 c 沿空巷道 d 无直接顶 底的煤柱巷道 分布状态 a 型 b c 半 型 d 缺上 或下 的半 型 现有支护理论 围岩松动圈 新奥法 等对支护形式及支护与围岩的关系研究较多 在开拓巷道 不受采动影响的采准巷道得到了成功应用 在承受动压影响的巷道中采用上述理论尚不能完全有效的控制围岩 1 2巷道围岩不均匀的整体下沉和局部上升 这是由大面积开采 采动支承压力和不同护巷方式引起 图2相似材料模拟试验结果u1 u2 u3 u4 u5 下沉曲线D1 D2 D3 破断曲线 1 3巷道底板变形破坏规律 浅部鼓起 深部下沉 图3巷道底板深基点位移 图4巷道底板围岩垂直位移No 垂直位移为零 N 零应变点 1 4加固巷道帮角控制两帮变形 底板鼓起和顶板离层 两帮下沉 底角破坏 水平应力挤压 底板浅部鼓起 顶板离层下沉 图5东庞矿巷道两帮下沉 图6黄塘岭矿巷道两帮下沉图 加固巷道帮角的方法 锚杆 注浆 柳新煤矿试验效果 见表1 表2 表1支护方式 表2试验效果对比 加固巷道帮角的重要意义 1 5基于围岩承载结构稳定的围岩控制理论 巷道围岩承载结构的形成 综放沿空掘巷与上覆岩层的结构关系 巷道受动压影响 不同时期 不同位置顶板情况 岩层处于相对稳定状态阶段 岩层显著运动阶段 覆岩稳定阶段 压力叠加阶段 从巷道围岩承载结构的稳定性出发 研究巷道围岩控制理论合理确定巷道支护强度及支护方式 降低支护成本 改善巷道维护状况 为工作面高产高效 安全生产创造了条件完善现有的巷道围岩控制理论 主要研究内容研究巷道围岩承载结构的形成过程 建立巷道围岩承载结构模型 建立围岩承载结构稳定的判别式 研究承载结构的变形特点 结构特征 研究动压影响区域开掘巷道承载结构的变化特点 研究巷道承载结构失稳对围岩变形的影响 研究巷道支护对承载结构的稳定性控制原理 2巷道围岩控制的基本途径 2 1影响巷道围岩稳定性的三大因素围岩强度 岩体应力 支护技术 根据围岩强度与岩体应力对我国矿井巷道的极限深度提出巷道极限深度 见表3 表3巷道极限深度表 2 2基本途径 1 提高围岩强度布置在稳定岩层中 布置锚杆 强化围岩强度 围岩注浆 提高岩体强度 封闭 疏干 防风化 防止围岩碎裂 强度降低 2 减小岩体应力 合理布置巷道时间 空间上减少巷道承受支承压力影响 巷道布置在应力降低区 合理设计煤柱尺寸 考虑最大水平应力的影响 巷道卸压跨采进行巷道卸压 开槽卸压 振动爆破卸压 布置卸压峒室卸压 3 巷道支护 巷道金属支架作用 给围岩提供支护阻力 当前注意 可缩性支架的使用界限 连接件 矿工钢可缩支架 支架壁后密实 锚杆支护作用 强化围岩强度 围岩强度强化理论 高强 超高 强度锚杆 设计方法 复杂条件下的锚杆支护 桁架锚杆支护 3巷道布置与卸压 3 1巷道布置从巷道围岩稳定角度来谈布置 要保持围岩稳定 布置巷道时应考虑围岩强度与岩体应力 1 采动引起的应力重新分布 图8已采区及其两侧煤柱的应力分布 冒落带 裂隙带 变曲下沉带 A 原始应力区 B1 B2 应力增高区 C 应力降低区 D 应力稳定区 图9留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布 图10煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布 上覆岩层容重 H 埋藏深度 底板岩石应力升高区的扩展影响角 Z 被跨巷道与上部回采煤层间的法线距 X 被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距 图11煤柱下方底板垂直应力等值线分布 煤柱载荷均布 应力集中系数为3 在应力重新分布下 从时间和空间上保证布置的巷道围岩稳定 维护费用低 2 巷道布置的原则 1 空间上尽量避免支承压力的强烈影响 叠加影响和多次影响 时间上尽量缩短支承压力影响时间 2 巷道布置在应力降低区或原岩应力区 3 采用无煤柱开采 必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可能小 4 如果需要留煤巷保护巷道 所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受支承压力影响或影响较小 5 避免在煤柱上 下方布置巷道 合理选择底板岩巷与煤柱边缘的水平距离x 与煤层垂直距离Z 6 在围岩受采动影响稳定后再掘巷道 7 巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行 避免与之垂直 3 2巷道卸压 1 利用跨采进行巷道卸压跨后巷道长期处于应力降低区 跨采过程中应加强巷道支护 2 开槽卸压 开槽后应力向深部转移 卸压区围岩保持稳定 卸压槽可在底板 两侧或全断面 图12巷道周边卸压后的应力分布 围岩卸压区 应力升高区 原岩应力区 3 松动爆破卸压 图13松动爆破卸压 4 巷道一侧或两侧布置卸压巷硐 图14巷道一侧有卸压巷道时的应力分布 巷道布置方式的变革 5 巷道顶部布置卸压巷硐 图15有无顶部卸压巷时的巷道围岩应力分布 4巷道支护 4 1金属支架应用普遍 仍是煤巷支护主要型式之一 1 刚性与可缩性支架的界限 围岩移近量200mm 2 发展双槽形夹板式连接件 图16双槽夹板式连接件的定位方式a 耳定位 b腰定位 图17U25双槽形夹板式连接件力学特性曲线 徐州矿务局 拧紧力矩分别 1 100N m 2 150N m 3 200N m 4 250N m 图18U25型钢螺杆夹板式连接件力学特性曲线 拧紧力短 150N m 3 矿工钢梯形可缩性支架可进一步发展用于围岩变形量中等的条件 增加的费用不多 可选择侧向 垂直或两者可缩 4 支架壁后充填 支架围岩紧密接触 图19拱形支架载荷分布的5种情况a 均布载荷 b 顶压大侧压小 c 侧压大顶压小 d 侧压力大 e 侧肩压大注 图中数字为载荷大小比例 U29直腿拱形支加 净断面积8 7m2 计算 a 269kN b 322kN c 252kN d 110kN e 44KN 应改变e d状况 4 2锚杆支护 1 技术经济优越性我国煤矿第二次支护技术革命 主动支护 强化围岩强度 保持围岩稳定 施工简单 成本较低 改善作业环境 促进矿井高产高效 推动巷道布置改革 4 2锚杆支护 2 围岩强度强化理论煤巷围岩松软破碎 应力高 塑性区 破碎区范围大 岩体处于峰后强度 残余强度 破裂围岩中锚杆的作用机理 图20锚杆布置在破裂围岩中 C 随 t的增加而提高 锚固体C 表4不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C 值 表5不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C 值 图21锚固体应力应变曲线图注 曲线上数字为锚杆支护强度 t MPa 3 高 超高 强度锚杆支护系统 r 0 968 1 r 0 967 2 发展高 超高 强度锚杆的理论依据 锚杆初锚力 支护强度的重要性原则 围岩稳定 支护费用低 依据 围岩强度强化理论 方法 实测为依据 数值计算耦合的方法 表6综放沿空掘巷锚杆初锚力与支护强度 适当提高初锚力 提高单根锚杆承载能力 途径 保证加工质量 提高锚杆材料的强度 可伸长增强锚杆 高强度锚杆 对尾部螺纹部分热处理 超高强度锚杆 对整根锚杆热处理 三径 合理匹配 锚固力高 锚固成本低 表7 三径 合理匹配表 作用 防止锚固正外过大离层 防止巷道顶板两角和剪切破坏 承载能力设计准则 按巷道顶板两角免遭剪切 破坏存在的问题 钢铰线直径与孔径不匹配 延伸率低 仅3 5 承载能力低 240KN 小孔径锚索 4 动态系统设计方法锚杆支护三种设计方法 工程类比法 理论计算法 数值模拟分析 动态系统设计方法的内容 步骤 1 含地应力测试的地质力学评估 2 以数值模拟为主的初始设计 3 对方案进行围岩稳定性分析 4 施工 5 现场监测 6 信息反馈与修改完善设计 锚杆支护专用设计软件 自动设计和分析处理步骤 1 输入原始地质 力学资料 巷道特征 各种支护方案 2 自动进行原始参数转换 建模 划分单元 形成若干方案 3 选优 控制围岩变形好 费用低 4 输出最优方案 输出内容 方案内容 围岩变形图 塑性区分布图 各种分析图 锚杆支护与材料消耗表 锚杆布置与施工图 5 监测信息反馈 5个反馈信息指标 输入围岩稳定性判断准则 修改或不修改设计 输出修改意见和支护具体措施 应用专用设计软件 在生产单位推广动态系统设计法 5 困难复杂条件下的煤巷锚杆支护 包括软岩 深井 沿空 构造压力大 强烈底鼓巷道 主要是 类巷道支护方案根据不同条件具体确定 图23相似材料模拟试验结果u1 u2 u3 u4 u5 下沉曲线D1 D2 D3 破断曲线 基本支护准则和方法 1 顶板 全长锚固或加强锚固 高 超高 强度锚杆 2 两帮 加长锚固可伸长增强锚杆 3 加固巷道角控制两帮变形 底板鼓起和顶板离层 关键是控制两帮下沉和底角破坏 4 锚索加强与围岩注浆加固 5 锚杆与金属支架联合支护 6 综放沿空掘巷围岩大 小结构的稳定性原理大 小结构概念大结构 包括顶煤 直接顶 老顶及其上载荷岩层的结构小结构 巷道锚杆组合支护与锚固体大结构的稳定性分析 掘巷前 掘巷时 掘巷后 回采时 图24综放沿空掘巷与上覆岩层的结构关系 a 平面 b 剖面1 综放实体煤巷道 2 综放开切眼 3 综放沿空掘巷 图25回采时综放巷道与上覆岩体大结构的关系 a 平面 b 剖面 1 综放实体煤巷道 2 综放开切眼 3 综放沿空巷道 M 关键块B的回转力矩 M 本工作面老顶岩层断裂 岩块A的回转力矩 小结构的稳定性分析1 沿空侧护巷窄煤柱的宽度 式中 因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区 其宽度 9 为 式中 m 上区段平巷高度 m A 侧压系数 泊松比 煤体的内摩擦角 C0 煤体的粘聚力 MPa k 应力集中系数 岩层平均容重 kN m3 H 巷道埋藏深度 m Px 对煤帮的支护阻力 如上区段采空侧支护已拆除 可取Px 0 5 0m 巷道窄煤柱一帮锚杆有效长度 再增加15 富裕系数 m 考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数 按计算 对于中等稳定围岩的综放沿空掘巷 2 强化围岩强度 确度锚杆支护强度强化围岩强度后能在大结构回转下沉影响下保持围岩稳定 保证足够的锚杆初锚力与支护强度 综放两道围岩变形规律 表8巷道围岩变形量对比表 图26工作面前方500 530m处沿空巷道支护状况 图27工作面前方40 30m处沿空巷道支护状况 7 桁架锚杆桁架锚杆对围岩强度的强化更为突出拉杆预紧力的重要作用 图28单式桁架锚杆的支护原理 图29东庞矿桁架锚杆布置图 图30开切眼支护状况 巷道断面加大也是巷道布置改革的方向之一 优点 允许变形运输方便便于机械化掘进 5围岩注浆加固5 1提高强度 充填裂隙 封闭水源 隔绝空气表9煤 岩试块破坏前和注浆后抗压强度实验结果 5 2注浆材料 1 材料类别化学类 丙烯酰胺类 聚氨脂类水泥类 单液水泥浆 水泥 水玻璃双液浆 ZKD高水速凝材料 双液或单液 2 ZKD高水速凝材料1 机理 硫铝酸盐水泥熟料 石灰 石膏 若干种添加剂水化生成钙矾石 结晶水体积比占81 6 再吸附大量水 水体积比达到90 重量比2 5 1 2 高水和中低水的分界 图31浆体流动性参数与水用量关系曲线 2 配料浆 3 主料浆 4 配料浆 1 主料浆 3 ZKD材料性能 图32水泥浆液和高水材料的性质与水灰比的关系 图33单轴条件下固结体试块变形曲线 图34不同围压条件下固结体应力应变曲线1 2 3 4 5 分别代表围压为0 13 0 26 0 38 0 50 0 75Mpa时的曲线 高水条件下微膨胀 空气中易风化失水 注入岩体 水中 或密封 防风化 5 3围岩超前注浆使用条件 围岩地应力不大 松软破碎 5 4围岩滞后注浆 1 注浆带后时间 图35岩石变形与渗透关系曲线 图36权台煤矿3116上分层回风平巷掘头后方巷道围岩裂隙分布 围岩裂隙发展变慢或前后进入掘后稳定期不久 2 注浆孔深度破碎区应完全固结 并超过此区 尽可能深 一般2m左右 3 注浆压力不超过岩石单轴抗压强度的1 3 围岩严重破碎时0 5Mpa 较破碎时1 0Mpa 裂隙较小时1 0 2 0Mpa 最高不超过3Mpa 4 浆液渗透半径与注浆孔布置渗透半径取决于注浆压力 围岩力学性质 裂隙密度及张开度 浆液的流动力学参数及初凝时间等 一般采用渗透公式初步计算后由现场试验确定 注浆孔间排距 要求两孔渗透半径贯通 可取0 8 2 渗透半径 一般在2m左右 注浆位置根据需要 可帮角 顶板或全断面 5 注浆量 每孔注浆量 式中 A 浆液消耗系数 1 2 1 5 L 钻孔长度方向加固区厚度 m 围岩的裂隙率 0