动压巷道稳定原理与控制技术

1、动压巷道稳定原理与控制动压巷道稳定原理与控制技术技术中国矿业大学中国矿业大学沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术2高水材料力学特性及其工程应用31 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .1 沿空留巷及其意义沿空留巷及其意义（1 1）取消区段煤柱，实现无煤柱开采；）取消区段煤柱，实现无煤柱开采；（2 2）少掘）少掘1 1条巷道，解决采掘接替紧张难题；条巷道，解决采掘接替紧张难题；（3 3）Y Y型通风，解决隅角瓦斯超限，降低工作面温度；型通风，解决隅角瓦斯超限，降低工作面温度；（4 4）提供瓦斯抽放场所；）提供瓦斯抽放场所；（5 5）降低煤层群开采时下煤层集中应力等。）降

2、低煤层群开采时下煤层集中应力等。采空区下一个工作面巷旁支护体上工作面采空区工作面l 巷内支护巷内支护l 巷旁支护巷旁支护l 大变形控制大变形控制1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .2 沿空留巷巷旁支护沿空留巷巷旁支护（1 1）巷旁支护体）巷旁支护体 充填墙体（充填体）充填墙体（充填体）膏体材料膏体材料：消耗矸石、工艺较复杂、辅助运输：消耗矸石、工艺较复杂、辅助运输工作量较大，在多个矿区应用。工作量较大，在多个矿区应用。高水材料：高水材料：支护阻力大、增阻速度快、适量可支护阻力大、增阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好，充填工艺及充填设备简单，缩，巷道维护效果好，充填工艺及充填设备简单，目前在

3、多个矿区应用。目前在多个矿区应用。 两者均实现了两者均实现了机械化高强度巷旁支护工艺机械化高强度巷旁支护工艺1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .2 沿空留巷巷旁支护沿空留巷巷旁支护 采空区顶板破断、采空区顶板破断、运动稳定后，充填体维运动稳定后，充填体维持巷道上方已切断岩层持巷道上方已切断岩层的平衡。的平衡。 CMLTCNAPqy煤体巷道巷旁支护体x0cdeAq cos0BqsinCTAM0qcosTBTBNBN（2 2）巷旁充填体要求：）巷旁充填体要求： 巷旁支护体早凝、初期强度大，及时支护直接顶、巷旁支护体早凝、初期强度大，及时支护直接顶、防止直接顶离层，并切断采空区的直接顶。防止直接

4、顶离层，并切断采空区的直接顶。 基本顶破断过程中支护体应快速达到切顶阻力，切基本顶破断过程中支护体应快速达到切顶阻力，切断采空区侧基本顶。断采空区侧基本顶。1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .2 沿空留巷巷旁支护沿空留巷巷旁支护02000001(cos)()()cos()()2xqLCyPMNqe x c dq qx c dxxdx 000(sin)()sin () ()/()22CBBhdTqe hSMqxc dSxc CMLTCNAPqy煤体巷道巷旁支护体x0cdeAq cos0BqsinCTAM0qcosTBTBNBN（3 3）巷旁充填体支护强度理论计算式：）巷旁充填体支护强度理论计

5、算式：1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .2 沿空留巷巷旁支护沿空留巷巷旁支护（4 4）预应力承载结构）预应力承载结构 为了进一步提高充填体的抗变形能力和承载能力，为了进一步提高充填体的抗变形能力和承载能力，发明了充填体预应力承载结构。发明了充填体预应力承载结构。1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .2 沿空留巷巷旁支护沿空留巷巷旁支护（4 4）高水材料巷旁充填沿空留巷特点：）高水材料巷旁充填沿空留巷特点：浓度小，水体积浓度小，水体积8585% %以上，高水材料用量少，辅助运输以上，高水材料用量少，辅助运输工作量小；远距离输送，输送距离工作量小；远距离输送，输送距离2000m2000m；

6、易于搅拌；易于搅拌；用量少，强度较大，沿空留巷成本低；用量少，强度较大，沿空留巷成本低；快速凝固、增阻速度快，能快速支撑顶板；快速凝固、增阻速度快，能快速支撑顶板；固化体有一定压缩率，适应沿空留巷大变形；固化体有一定压缩率，适应沿空留巷大变形；充填工艺简单，用人少；充填工艺简单，用人少；充填系统费用较低。充填系统费用较低。 1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .2 沿空留巷巷旁支护沿空留巷巷旁支护密集支柱充填体锚索支护工作面采空区超前支护（5 5）充填区域顶板支护技术：）充填区域顶板支护技术：1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .3 沿空留巷大变形围岩控制沿空留巷大变形围岩控制基本支护：基

7、本支护：采用高预紧力、高强度、大延伸率锚采用高预紧力、高强度、大延伸率锚杆与锚索支护；杆与锚索支护；临时加强支护：临时加强支护：剧烈变形阶段，通过临时加强支剧烈变形阶段，通过临时加强支护有效支撑顶底板、减小顶板回转、下沉和巷道底鼓。护有效支撑顶底板、减小顶板回转、下沉和巷道底鼓。1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .3 沿空留巷大变形围岩控制沿空留巷大变形围岩控制工作面超前加强支护段滞后加强支护段（100m左右）液压支架充填体铰接顶梁单体液压支柱留巷稳定段采空区拆除加强支护1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .4 工程应用：工程应用：成功应用于成功应用于综放综放（余吾煤业）、（余吾煤业）、

8、大采高大采高（柳家（柳家庄）、庄）、深井深井（海石湾、三河尖）、（海石湾、三河尖）、高瓦斯高瓦斯（阳煤新元矿）（阳煤新元矿）沿空留巷施工沿空留巷施工沿空留巷顶板状况沿空留巷顶板状况沿空留巷维护沿空留巷维护沿空留巷维护沿空留巷维护1 沿空留巷围岩稳定机理与控制技术1 .5 小结小结（1 1）得到了巷旁充填体支护阻力计算式。）得到了巷旁充填体支护阻力计算式。（2 2）采用充填体预应力承载结构提高充填体的抗变）采用充填体预应力承载结构提高充填体的抗变形能力和承载能力。形能力和承载能力。（3 3）针对沿空留巷大变形特征，采用锚杆、锚索基）针对沿空留巷大变形特征，采用锚杆、锚索基本支护，剧烈变形阶段采用

9、临时加强支护。本支护，剧烈变形阶段采用临时加强支护。2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术单翼采区采掘接替紧张。单翼采区采掘接替紧张。主要存在以下问题：煤柱合理宽度、迎采巷道停掘时主要存在以下问题：煤柱合理宽度、迎采巷道停掘时机、围岩稳定控制技术等。机、围岩稳定控制技术等。2 .1 问题的提出问题的提出2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .2 围岩变形破坏机理围岩变形破坏机理-实体煤掘巷阶段；实体煤掘巷阶段；-动压掘巷阶段；动压掘巷阶段；-沿稳定采空区掘巷沿稳定采空区掘巷阶段；阶段；1-超前动压掘巷阶段；超前动压掘巷阶段；2-滞后动压掘巷阶段；

10、滞后动压掘巷阶段； q(x)-超前支承压力曲线；超前支承压力曲线；q(y)-侧向支承压力曲线；侧向支承压力曲线；（1）分段解析模型）分段解析模型2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .2 围岩变形破坏机理围岩变形破坏机理 超前支承压力演化规律超前支承压力演化规律为原岩应力；为工作面每推进为原岩应力；为工作面每推进10m对应的超前支承压力曲线；对应的超前支承压力曲线； 揭示了揭示了q(x)的演化规律。的演化规律。 侧向支承压力演化规律侧向支承压力演化规律1为原岩应力；为原岩应力；212为工作面每推进为工作面每推进10m的侧向支承压力曲线；的侧向支承压力曲线； 26揭示了

11、揭示了滞后动压影响阶段滞后动压影响阶段q(y) 演化规律；演化规律； 712揭示了侧向压力稳定阶段揭示了侧向压力稳定阶段q(y)特征特征 。（2）解析模型采动应力演化规律）解析模型采动应力演化规律2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .2 围岩变形破坏机理围岩变形破坏机理阶段阶段:实体煤掘巷阶段实体煤掘巷阶段 顶板中间挠曲小变形最大顶板中间挠曲小变形最大 阶段巷道顶板挠曲变形 阶段巷道顶板破坏分布（3）分段解析结果）分段解析结果2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .2 围岩变形破坏机理围岩变形破坏机理 阶段巷道顶板挠曲变形 阶段巷道顶板破坏

12、分布阶段阶段分为超前动压和滞后动压两个阶段。分为超前动压和滞后动压两个阶段。 超前动压阶段：塑性破坏区发生在临近工作面前超前动压阶段：塑性破坏区发生在临近工作面前方方532m范围内，似梨形分布，随工作面的推进，沿巷范围内，似梨形分布，随工作面的推进，沿巷道轴向形成道轴向形成移动梨形塑性破坏区移动梨形塑性破坏区。 滞后动压阶段：沿巷道横向，塑性破坏区范围进滞后动压阶段：沿巷道横向，塑性破坏区范围进一步增大。一步增大。2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .2 围岩变形破坏机理围岩变形破坏机理 阶段巷道顶板挠曲变形 阶段巷道顶板破坏分布阶段阶段 : 侧向支承压力达到稳定状

13、态，在采空区横向覆侧向支承压力达到稳定状态，在采空区横向覆岩岩522m范围将形成范围将形成似三角形附加塑性区似三角形附加塑性区。2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .3 围岩控制技术围岩控制技术迎采动面沿空掘巷关键：迎采动面沿空掘巷关键：合理布置煤柱宽度、把握合理布置煤柱宽度、把握停掘时机、分段动态控制。停掘时机、分段动态控制。（1）合理布置煤柱宽度合理布置煤柱宽度：阶段：阶段覆岩附加塑性区覆岩附加塑性区为为522m，因此护巷煤柱宽度应小于，因此护巷煤柱宽度应小于5m，或者大，或者大于于22m（避开动态和稳定侧向支承应力升高区的影（避开动态和稳定侧向支承应力升高区的

14、影响）响）。2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .3 围岩控制技术围岩控制技术（2）停掘时机：停掘时机：与回采面相交前，迎采巷道停掘与与回采面相交前，迎采巷道停掘与否将显著影响顶板塑性区范围（下图）。在阶段否将显著影响顶板塑性区范围（下图）。在阶段顶顶板移动性三角形塑性破坏区出现前，即在工作面前方板移动性三角形塑性破坏区出现前，即在工作面前方321.5=48m（安全系数（安全系数1.5）时停止掘巷；待工作面）时停止掘巷；待工作面后方横向移动性塑性破坏区稳定后，即工作面后方后方横向移动性塑性破坏区稳定后，即工作面后方501.5=75m（安全系数（安全系数1.5）时重新

15、掘巷。）时重新掘巷。 提前停掘C=3.0 采掘同时C=3.0 2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .3 围岩控制技术围岩控制技术 R=0 R=0.6（3）分段动态控制分段动态控制阶段阶段 : 一方面一方面增加顶板垂直向上的支护阻力增加顶板垂直向上的支护阻力R（MPa）以减小以减小q(x)（如安设单体液压支柱）或者通过锚杆索密（如安设单体液压支柱）或者通过锚杆索密集支护集支护,具体方案为具体方案为P1-无支护；无支护；P2-普通锚杆支护；普通锚杆支护；P3-普普通锚杆通锚杆+一梁两柱；一梁两柱；P4-高强锚杆高强锚杆+一梁三柱；一梁三柱；2 迎采迎采掘巷掘巷围岩稳定围

16、岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .3 围岩控制技术围岩控制技术 C=3.0 C=3.5（3）分段动态控制分段动态控制阶段阶段 : 其次，对围岩进行其次，对围岩进行注浆加固（注浆加固（高水材料高水材料），改），改善覆岩内聚力善覆岩内聚力C，增加围岩自承能力，从而减小覆岩挠，增加围岩自承能力，从而减小覆岩挠曲下沉和移动性塑性破坏区在巷道横向和纵向的动态发曲下沉和移动性塑性破坏区在巷道横向和纵向的动态发展。展。2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .3 围岩控制技术围岩控制技术阶段阶段 : 侧向支承压力调整趋于稳定，与一般沿空掘巷类似。侧向支承压力调整趋于稳定，与一般沿空

17、掘巷类似。（3）分段动态控制技术分段动态控制技术阶段巷道顶板附加塑性区2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2.4工程实例工程实例（1）中厚煤层中厚煤层：棋盘井、利民、平沟、蔺润等：棋盘井、利民、平沟、蔺润等（2）厚煤层综放厚煤层综放：西川、麻家梁、肖家洼、万通源等：西川、麻家梁、肖家洼、万通源等掘巷时期回采时期棋盘井回风巷棋盘井回风巷棋盘井回风巷棋盘井回风巷2 迎采掘巷围岩稳定迎采掘巷围岩稳定机理与控制技术与控制技术2 .5 小结小结（1）将迎采动面沿空掘巷分为三个阶段研究其顶板覆）将迎采动面沿空掘巷分为三个阶段研究其顶板覆岩变形破坏规律，阶段岩变形破坏规律，阶段实体煤掘巷，阶段实体煤掘巷，阶段动压掘动压掘巷，阶段巷，阶段沿稳定采空区掘巷。沿稳定采空区掘巷。（2）迎采巷道变形控制：确定合理煤柱宽度、把握停）迎采巷道变形控制：确定合理煤柱宽度、把握停掘时机、分段动态控制。掘时机、分段动态控制。3 高水材