矿山压力与支护演示文件

1、 掘 进 科- 宋 勤 发 第一节：矿山压力 一、巷道矿山压力的基本概 念 1、巷道矿山压力：地下岩体未被开挖 时，在岩体内的各种力处于平衡状态。开 挖以后，在岩石自重应力、构造应力以及 采掘引起的附加应力等各种应力作用下的 岩体，失去了原来力的平衡，使岩体内应 力发生重新分布。作用在巷道周围岩体中 及支护体上重新分布的力就是巷道矿山压 力，或简称为巷道矿压。 2、围岩压力：地下工程开挖以后，巷道 （或硐室）边界上的岩体失去原有支承力而向 巳开挖的空间变形。为了防止围岩过度变 形或塌坍，就要对围岩设置支护体，这时支护 体将受到围岩的作用力。这种作用在支护体上 的围岩的变形挤压力或塌落岩体的重力

2、统称为 围岩压力。根据围岩变形破坏机理的不同，围 岩压力可分为松脱压力，变形压力、冲击压力 和膨胀压力等四类。 3、松脱压力：由于地质弱面的切割，采 动引起的离层或岩块冒落等原因所造成 的松散岩体作用于支护结构物上的压力， 称散体地压或松脱压力。当支护结构不 能有效地限制围岩变形的发展，而在周 围岩体内形成松动圈时，往往导致松动 围岩压力的出现。松脱压力可采用松散 介质极限平衡理论或块体极限平衡理论 进行分析和估算 4、变形压力：是指由于围岩产生指向巷 道（硐室）的位移时挤压支护体而造成的 压力。它在围岩与支护体相互作用过程中 施加于支护体上。在“围岩一支架”力学 体系中，只要围岩变形而支护体

3、又限制其 变形，围岩就对支护体施加变形压力。 此外变形压力又和支护体的刚度有关。 在一定的条件下，支护体刚度越大，变 形压力也越大。围岩变形不仅包括弹性 变形，塑性变形，而且还包括与时间有 关的流变变形，对于松软岩体尤为明显， 其值远比弹，塑性变形大，而且随时间 而不断增加，因而支护体所受到的变形 压力也不断增加。 5、膨胀压力： 是指由于围岩吸水发生膨胀而对支护 体产生的压力。这种压力实质上是变形压 力的一种，只是它因含有大量蒙脱石等膨 胀性矿物的粘土岩所特有的一种围岩压力。 6、冲击压力： 又称矿山冲击、冲击地压、岩爆等， 是矿压显现的动力现象之一。它是在集中 应力作用下，煤，岩体内积聚的

4、弹性应变 能在一定条件下突然释放，使煤、岩体发 生急剧脆性破坏或大块煤体突然向已采空 间抛射的现象。 7、松动圈： 巷道周围岩体发生破裂和松动的区域， 通常称为松动圈。其范围一般为0.5-1.5 米，它与岩体性质及抗压强度等有关. 8、塑性圈：在集中应力作用下，当巷道围岩 所受应力超过其屈服强度时，就会产生塑性 变形，在巷道周围形成一个塑性变形区，其 边界称为塑性圈。圈内岩体的基本特征是裂 隙增多。由于塑性圈内岩石逐渐松弛，而丧 失部分承载能力，使原来巷道周边附近岩石 承受的一部分应力转移给邻近的一定深度的 岩体，因而塑性圈也随之逐步扩展到岩体内 的一定深度。 9、巷道影响区： 是指巷道周围岩

5、体中由于掘进巷道 而使应力比原岩应力发生明显变化（大 于5% ）的地区。该区的范围与矿山岩 石的性质、开采深度、巷道的形状和尺 寸等有关，一般影响范围的直径为巷道 最大线性尺寸的2-4倍。 一、巷道支架与围岩相互作用和 共同承载原理 1、围岩是一种天然承载结构 在开掘巷道、架设支架以后形成的“支架一 围岩”力学平衡系统中，围岩通常承受着大部 分岩层压力，而支架却只承担其中一小部分。 这说明，地下巷道中架设的支架，与承受固定 静载的地面结构不同，给支架施载的围岩同时 又是承载体，可以把围岩看作是一种天然的承 载结构。因此，要重视巷道围岩自身具有承 载能力即自承力这个事实。 2、合理利用巷道围岩的

6、自承力 为了利用围岩的自承力，就要容许围 岩产生某些变形。这种变形会使围岩中的 能量得到一定释放，从而起到一定的“卸 载作用”，这将有利于减轻支架受载。但 应当注意的是，这种变形应是有限制的。 3、合理选择支架工作点 合理利用围岩自承力的途径是使支 架与围岩在相互约束的状态下共同承载， 即在不导致围岩松动破坏的前提下，既 充分利用围岩的自承力，又使支架提供 的支护阻力最小。 1、巷道布置在应力降低区 巷道布置在应力降低区的主要措施 A：应用沿空巷 根据支承压力沿煤层倾斜方向的显 现规律，在采空区边缘掘进和维护巷道可 以达到减轻巷道受压的目的。沿空巷道主 要有两种形式，即沿空掘巷和沿空留巷。 B

7、：跨巷回采： 是指回采工作面从底板岩石巷道上方 连续采过去，不在被跨越的巷道上方留设 保护煤柱。这是根据采空区下方通常是低 压区的原理而采取的改善巷道支护的一种 措施。跨巷回采包括跨越大巷，采区上 （下）山、采区石门及区段岩石集中巷等。 2、将巷道布置在较稳定的岩层 中 第一节 无煤柱开采的优点 无煤柱护巷的基本原理 1、提高煤炭回收率一般可使采区回收 率提高10%-20%，有些甚至提高25%-30%。 2、改善巷道维护条件应用无煤柱开采， 可使巷道维护条件得到不同程度的改善。 如铜川鸭口矿，应用沿空掘巷后，使回 采巷道维修量降低了25%。 3、降低巷道掘进率 一般情况下，沿空掘 巷可使巷道掘

8、进率降低5-10%;沿空留巷可降 低25-33%，个别矿井降低幅度达40%以上。 4. 促进安全生产:由于无煤柱开采减少煤 炭损失，在很大程度上消除了自然发火根源, 无煤柱开采对降低沼气涌出和突出也有明显 作用。如能进行正确通风管理，无煤柱工作 面回风流中的瓦斯含量可减少30-50%。 5. 改善矿井技术经济指标 1. 在回采工作面两侧煤体边缘，存在 比原岩应力低的应力降低区，而且在回采 工作面推进并经过相当时间以后，这个区 仍能较稳定地长期保存下来。处在这个区 域中的巷道承受的矿山压力较小。在这个 区域掘进的巷道，支架所受载荷也较小。 2. 工作面两侧支承压力从开始形成 到向煤体深部转移和逐

9、渐均匀化，有一个 时间过程。因此，要使沿采空区边缘开掘 的顺槽在掘进后保持稳定，必须在时间上 避开未稳定的支承压力作用期，也就是应 使沿空掘巷相对于上区段的回采工作面有 一个合理的带后时间。 一、沿空掘巷的基本方式与适用条件 1.完全沿空掘巷：在上工作面运输巷或回风巷 废弃以后，待采空区上覆岩层移动基本稳定时，紧贴 原废弃的巷道在煤体内重新掘巷。 优点： 巷道靠煤壁边缘掘进，处于应力降低区内，巷 道受压不大，便于维护.煤体边缘为煤层松弛区， 可使 瓦斯得到自然释放，大大减少煤层发生冲击 地压和煤与瓦斯突出的危险，有利于掘巷安全。与 留煤柱护巷相比，以提高煤炭资源回收率；与沿空留 巷相比，可以减

10、少巷道维护时间。 2. 留小煤柱沿空掘巷： 为使巷道与采空区隔离，巷道与采 空区之间留1-3米的小煤柱, 留小煤柱主 要不是以其支承顶板，而是防止采空区 窜矸和采空区积水流入巷道。 1. 确定合理的沿空掘巷时间:沿 空掘巷 相对于上区段回采应有合理的滞后间隔时 间。间隔时间过短，采动影响尚未消失， 对沿空巷道的维护不利,还易引起自然发 火；间隔寸间太长，将造成采掘接续紧张, 一般4-6个月。 2. 为沿空掘巷创造条件: 上区段回采时，要为 下区段沿空掘巷创造一定的条件： 在废弃上区段的运输（或回风）巷时，应 尽量将坑木回收干净，工作面放顶要彻底 顶板坚硬时，应强制放顶，以减少悬伸岩 梁长度 为

11、使顶板冒落矸石更易胶结，通常采用预 注泥浆的方法 在被废弃巷道靠煤体一侧，预挂挡矸笆片， 沿空掘巷时可起到导向作用。 3.合理选择支架及参数:要理选择支 架形式，支架可缩量，支护密度及工作面 前后采动影响带加固段长度。而且要注意 使巷道断面积留有必要的预留量，以适应 围岩的变形 4. 控制小煤柱的宽度:沿空掘巷需要留设 小煤柱时，必须控制煤柱宽度。一般， 不宜超过1-3米。 一、沿空留巷的基本方式 一般走向长壁工作面沿空留巷的基本方式 是将上区段工作面的输送机巷，在工作面 采过之后留下作为下区段的回风巷。 锚杆支护是通过围岩内部的杆体，改变围岩本 身的力学状态，提高围岩的强度，从而在巷道 周围

12、岩体内形成一个完整稳定的承载圈，与围 岩共同作用，达到维护巷道的目的。因此，锚 杆支护起到了主动加固围岩的作用。如何正确 认识锚杆及锚杆系统的作用机理，对于正确地 设计和应用锚杆支护，最大限度地发挥锚杆系 统的主动支护能力，具有非常重要的意义。 各种锚固支护理论的研究都是以一定的假说 为基础的，各自从不同的角度、不同的条件 阐述锚杆支护的作用机理，而且力学模型简 单，计算方法简明易懂，适用于不同的围岩 条件，得到了国内外的认可和应用。 近年来，随着锚杆支护理论的研究不断 深入，各种新的锚杆支护理论不断提出，并 在工程实践中得到完善和发展，极大推动了 锚杆支护技术在巷道支护中的应用。 第一节 传

13、统锚杆支护理论 传统的锚杆支护理论有: 悬吊理论、 组合梁理论、 组合拱（压缩拱）理论。 悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷 道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层 上，以增强较软弱岩层的稳定性。悬吊 理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道 帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层 或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围 较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层 或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。 组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷 道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳 定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚 杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力 增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层

14、面滑动，避免各岩层出现离层现象； 另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗 剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而 将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁 紧成一个较厚的岩层（组合梁）。这种 组合厚岩层在上覆岩层荷载的作用下， 其最大弯曲应变和应力都将大大减小， 组合梁的挠度也减小，而且组合梁越厚， 梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就 越小. 组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧 成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆 作用与围岩的自稳作用分开，与实际情 况有一定差距，并且随着围岩条件的变 化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时， 组合梁也就不存在了。组合梁理论只适 合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷 道的帮、底不适

15、用。 组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中 安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥 形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆 群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的 压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形 成一个均匀的压缩带，即承压拱（也称组合 拱或压缩拱），这个承压拱可以承受其上部 破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩 石径向及切向均受压，处于三向应力状态， 其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。 锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护 工程的质量优劣、是否安全可靠以及经 济是否合理等重要问题，因而广泛被国 内外学者所重视。 目前的巷道锚杆支护设计方法基本 上可归纳为四大类： 第一类是工程类比

16、法，包含简单的经验公式进行设计； 第二类是理论计算法； 第三类是以计算机数值模拟为基础的设计方法； 第四类是监测法。 工程类比法在中国巷道锚杆支护设计 中应用相当广泛，主要有以回采巷道围岩 稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法和 巷道围岩松动圈分类与支护没计建议等。 理论计算方法很多，主要有悬吊理论法、冒落 拱理论法、组合梁理论法、组合拱理论法等。 由于各种理论计算方法所依据的理论基础不 问，加以计算中的一些参数难于确定，因此 计算结果存在局限性，在某些条件下能够应 用，某些条件下则难以应用。随行汁算机的 广泛应用，借助数值模拟进行锚杆支护设计 得到了较大发展，尽管仍存在不同的观点， 但人们逐步

17、认识到数值模拟应力应变分析是 地下岩石结构设汁和分析的重要手段。 目前，中国地下工程锚杆支护设计方法主 要是工程类比法和经验公式计算法。特 别是矿山井巷锚杆支护设计，面对岩性 和岩体结构变化大，荷载影响因素多， 采准巷道维护时间短，支护材料和结构 可能选择的范围小等实际情况，在设计 时，使用工程类比法和经验公式计算法， 设计简单、推广容易、实用性强、效果 较好。 一一、 经验公式计算法 锚杆长度L=N(1.3+W/10) N-围岩影响系数0.91.2 W-巷道或硐室的跨度M 锚杆间距 M小于等于0.4L l二、 工程类比法 1、锚杆支护结构形式选择分析 （ 1）单体锚杆 单体锚杆是锚杆支护结构

18、中最简单的支护结 构形式，每根锚杆是一个个体，单独对顶板 起作用，但通过岩体的联系又把每根锚杆的 作用联合起来，每根锚杆集合作用的结果， 控制了不规则弱面的发展、危石的掉落，增 强了岩体强度，形成了加固岩梁，共同支撑 外部荷载。 2）锚梁结构 锚梁结构是指锚杆和钢筋梯梁或W形钢 带组合的支护结构。锚杆通过钢筋梯梁 或W形钢带扩大锚杆作用力的传递范围、 把个体锚杆组合成锚杆群共同协调加固 巷道围岩，这种组合大大增强了锚杆群 体的作用和护表功能。 （ 3）锚梁网结构 锚梁网结构是锚杆托梁、梁压网、网护顶 的组合锚杆支护结构。它是在锚梁结构的 基础上发展起来的，除具有锚梁结构的支 护功能和作用外，由

19、于使用金属网把锚梁 间裸露的岩体全部封闭起来，护表功能更 强。 （ 4）锚梁网索结构 锚梁网索结构是在锚梁网支护结构基础上 增加锚索的组合支护结构。它凸现了锚索 对锚梁网的补强作用，增大了支护强度， 改善了巷道受力条件，提高了巷道维护的 安全可靠程度。 在选择锚杆支护结构时应注意各类锚杆支 护结构的适应性和特点：单体锚杆支护结 构主要适应：一是岩石稳定、层厚较厚、 坚固性系数大于6、节理裂隙不发育的顶 板条件；二是岩石稳定、层厚较厚、坚固 性系数4-6、顶板节理裂隙不发育，且采 深较浅、围岩应力较小的条件。 单体锚杆支护的特点：巷道支护施工方便， 工序简单，有利于单进水平提高；对围岩 的护表功

20、能较弱，用于较差围岩条件，围 岩表层容易首先破坏，由表及里，导致锚 杆失效。 锚梁支护结构主要适用于：围岩强 度较大，节理裂隙较发育的2、3类围岩 条件。 锚梁支护的特点：支护操作方便， 施工简单，有利于单进水平提高。 锚梁网支护结构主要适用于：厚煤层沿 底板掘进的煤层顶板、岩煤交替沉积层 厚较薄的复合顶板和岩体松软、压力大 的巷道围岩条件。 锚梁网支护的特点：适应性强，护表效 果好，加固岩体性能稳定。支护结构相对复 杂，操作工序增多，对掘进速度有一定影 响。 锚梁网索支护结构主要适用于：复杂地质开 采条件下的巷道支护，包括厚煤层沿底板掘 进的煤层顶板、岩煤交替沉积、层厚较薄的复合顶板 和岩体

21、松软、压力大的巷道围岩条件，以及巷道断面 加大、位于采空区侧巷道、孤岛开采的工作面两巷、 受构造影口向区域的巷道等。 锚梁网索支护的特点：支护强度大，护表效果好，适 应范围宽，安全可靠性高，支护结构相对复杂，施工 工 序和难度相对较大，对掘进速度有一定影响，支 护成本较高。 2、锚杆支护参数合理选择 锚杆支护参数选择应在理论指导下进行， 且应经过实践检验和确认。 四、树脂锚杆与其支护构件的选择 1、杆体的选择 锚杆杆体是锚杆支护的主要受力构件，它 的强度和性能优劣对锚杆支护效果起着重 要作用。因此，在锚杆杆体开发上，煤炭 系统的专家和工程技术人员开发出了多种 锚杆杆体，现介绍如下： （1）左旋

22、带纵筋建筑螺纹钢锚杆杆体 左旋带纵筋建筑螺纹钢锚杆杆体是树脂锚杆早期发展 的产物，当时没有专用树脂锚杆螺纹钢，只能用建筑 螺纹钢来代替，基本满足了当时锚杆支护发展的要求。 由于它不是专用树脂锚杆螺纹钢，在使用中显现出了 明显的缺点。一是端部螺纹加工，需要扒皮成圆滚丝， 使杆体出现加工弱面，导致杆体强度低，力学性能差， 二是带纵筋螺纹钢在搅拌树脂锚固剂时，影响搅拌质 量，锚固剂混合不够均匀和不易充满两纵筋处，这将 降低锚固强度。随着锚杆专用螺纹钢的开发和利用， 左旋带纵筋建筑螺纹钢锚杆杆体己逐步淘汰。 （2）右旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体 右旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体端部螺纹可直 接为螺母紧固用，不需任何

23、加工，减少了加工 工序，没有加工弱面，杆体强度相等，称之为 等强锚杆。它力学性能好，锚固强度大，材料 利用高，安装使用方便快捷。由于该锚杆杆体 直接利用杆体螺纹作为端部紧固螺母螺纹，成 材对螺纹要求高，成材率相对较低，螺母与螺 纹的优良配合控制难度大。 （3）普通圆钢锚杆杆体 普通圆钢锚杆杆体是树脂锚杆早期发展和 不规范使用的产物，锚固端和螺纹端两 端都需加工，加工工序多，工作量大； 两端多由企业自行加工，设备简陋，质 量难以保证；该类锚杆杆体应列入淘汰 产品之列。 （4）左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体（最佳） 1）树脂药卷在不同围岩条件下的锚固强度 树脂锚固剂通常是将树脂、固化剂和促凝剂严 密包装

24、在一定长度和直径的胶囊中，其中树 脂和促凝剂装在一室，固化剂与之隔离包装 在另一室。当锚固剂胶囊被锚杆锚头捣破并 搅拌后，促凝剂促进树脂和固化剂发生化学 反应，加快凝固速度，使锚头通过锚固剂与 孔壁锚固在一起。 （2）锚固形式和长度的选择 锚杆的锚固方式有: 端锚、加长锚和全长锚。 锚杆的这些锚固方式有着各自的使用条件， 要根据实际需要确定 锚杆采用全长锚固，巷道围岩表面避免了 集中受力点，且能够得到更有效加固，锚 杆受力条件有所改善，实际锚固力增大。 根据实测结果，全长锚固的锚杆，安装24 小时后，测得最大锚固力为10吨 ，在锚 杆正常工作时可随着外部荷载的增加和围 岩变形的增大逐步达到屈服极限和极限荷 载。 全长锚固能够提供更高的抗剪能力，在顶 板受垂直层面方向的应力作用时，岩层常 常发生沿层间的错动，这使层面间的黏聚 力迅速降低，继而使岩层间发生离层和破 坏。在锚