阳煤-巷道矿山压力显现规律及控制

1、 巷道矿山压力显现规律及控制主讲人：薛广哲 博士 联系电话：158964201501 巷道锚杆支护理论与方案设计目目 录录2 巷道布置及应力转移技术3 典型构造区应力分布及对巷道稳定 性的影响问题1：同类型赋存条件下，岩石巷道支护很弱或不支护即能保持稳定？问题2：锚杆支护后，软弱顶板巷道为何能像岩石巷道般维持稳定？1 巷道锚杆支护理论与方案设计锚杆的工作原理？2.锚杆支护的实质是与围岩相互作用形成统一的承载结构，来支撑外部围岩3.锚杆预紧力是压紧岩体，保持锚固体完整性，实现其自承载能力的关键1.破碎岩体(峰后残余强度)经锚杆支护后，也拥有很大的支护(承压)能力1 巷道锚杆支护理论与方案设计1、

2、悬吊理论q 将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较 软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。q 缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。1.1 锚杆支护理论评述1 巷道锚杆支护理论与方案设计2、组合梁理论q 将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。q 缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作 用分开；在顶板较破碎、连 续性受到破坏时，难以形成 组合梁。1

3、巷道锚杆支护理论与方案设计3、组合拱理论q 在破碎区安装预应力锚杆时，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，只要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，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。q 缺点：一般不能作为准确的定量设计。1 巷道锚杆支护理论与方案设计4、最大水平应力理论q 矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围

4、岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 由中国矿业大学侯朝炯教授提出，理论要点为：锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域岩体相互作用组成锚固体 ，形成统一的承载结构；锚杆支护可提高锚固体的力学参数，（E、黏聚力、内摩擦角），改善被锚岩体的力学性能；锚固区岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均得到强化；增加围压、改善应力状态围岩锚固体强度的提高，减小破碎区等，并控制其发展，从而利于巷道的稳定。5、围岩强度强化理论1 巷道锚杆支护理论与方案设计问题2：锚杆支护后，软弱顶板巷道为何能像岩石巷道般维持稳定？q 锚固体C、C*、* 随锚杆支护强度t的

5、增加而提高。不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、 值 锚杆支护强度锚杆支护强度 t / MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力等效内聚力C / MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效内摩擦角等效内摩擦角 / 31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、* 值锚杆支护强度锚杆支护强度t / MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力等效内聚力C* / MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940

6、.021等效内摩擦角等效内摩擦角 */ 31.5131.5333.5135.5737.1438.840.41.2 影响巷道围岩稳定性的因素 q 经典的Kastner巷道围岩特性曲线方程：1 sin2sin0(cot )(1 sin )cotipcRapc 200sin(cot )2upcRG a q 式中：R塑性区半径；a巷道半径巷道半径；P0原岩应力原岩应力； Pi支护阻力支护阻力；c岩石内聚力岩石内聚力；岩石内摩擦角岩石内摩擦角； u0巷道周边位移；G围岩剪切模量围岩剪切模量。 影响巷道围岩稳定性的主要因素有四：巷道所在位置的围岩应力围岩应力（P0）、围岩力学性能围岩力学性能（c、G）、支

7、护阻力支护阻力（Pi）和巷道断面形式巷道断面形式与尺寸与尺寸，这也是控制巷道围岩变形的4个主要技术途径。q 围岩控制的基本途径：提高围岩强度提高围岩强度、减少岩体应力减少岩体应力、合理有效的巷道合理有效的巷道支护。支护。围岩控制的基本途径提高围岩强度优化力学环境合理巷道支护注浆加固合理布置巷道应力转移技术高预紧力优化先让后抗、先柔后刚的二次支护技术高强、高预紧力一次支护1 巷道锚杆支护理论与方案设计u“先让后抗，先柔后刚”的二次支护理论u高强、高预紧力一次支护理论两种支护理论/策略均是基于将锚杆与围岩相互作用组成统一的承载结构，突出围岩本身的自稳能力，区别为：实现手段/方法不同。1.3 两种先

8、进锚杆支护理论对比分析1 巷道锚杆支护理论与方案设计一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力；在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。有三个技术要点：1、采用“先让后抗、先柔后刚”的原则，即围岩卸压与加固相结合的原则。2、应力转移，降低浅部围岩应力。3、采用二次支护，合理确定二次支护时机和支护强度。达到围岩卸压与承载能力的平衡1 巷道锚杆支护理论与方案设计高强、高预紧力一次支护理论1、强调进行巷道支护的主体是形成锚杆围岩锚固体，锚杆、锚索预应力及扩散对支护效果的决定性作用。2、控制围岩完整性，提高支护系统（锚固体）的初始支护刚度与强度，保证支护应力场的连续与有效扩散，保持锚

9、固体的承载能力。 1 巷道锚杆支护理论与方案设计q巷道开掘后，受掘进面支撑，变形很小。安装锚杆控制浅部离层滑动。安装越及时，预应力越大，锚固范围内岩层整体刚度越高，岩层处于压缩状态，不发生离层和弯曲等有害变形，完整性和整体强度得到保持。q通过大幅度提高锚杆支护系统刚度与强度，特别是预应力，可以有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次有效支护。-50002000-50000-50000-50000-20000-30000-10000-5000-10000-5000-10000-100000-5000-5000-5000-500002000200002000200000000000YXZ预紧力2

10、0kN -500010000-10000-200000-280000-70000-120000-60000-40000-1200000-10000-80000-40000-80000-120000-80000-60000-60000-70000-40000-60000-60000-40000-60000-80000-80000-80000-20000-20000-40000-70000-60000-70000-60000-60000-10000-20000-40000-40000-20000-20000-20000-1000000-100005000-50000-50005000-500010

11、000-5000-5000-5000-50000500050000-5000-50005000000000YXZ预紧力100kN 1 巷道锚杆支护理论与方案设计无钢带情况 有钢带情况YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-260000-280000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10XYZSZZ(Pa)200

12、001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-2600

13、00-280000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 101 巷道锚杆支护理论与方案设计q 锚杆本身的抗拉、抗剪能力，能控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，施加的压应力场同时又能增加围岩的性能

14、，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，最大限度地保持锚固区围岩完整性，。q 锚杆支护刚度十分重要，预应力起决定性作用。根据巷道条件确定合理预应力是支护设计的关键。q 较高预应力要求锚杆具有较高强度。q 锚杆预应力扩散同样重要。单根锚杆预应力作用范围有限，必须通过托板、钢带和金属网等构件将预应力扩散到离锚杆更远围岩中。q 钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要的扩散作用。1 巷道锚杆支护理论与方案设计-5000-5000-20000-5000-5000-40000-3000010000-50000-100005000-50005000-30000-60000-20000-25000-80

15、000-80000-50000-60000-25000-100000-80000-50000-1000000-60000-10000-80000-2000-40000-50000-40000-100000-40000-10000-50000-80000-50000-40000-30000-5000-60000-60000-60000-25000-50000-5000-10000-25000-20000-5000-30000-30000-10000-25000-25000-25000-10000-25000-30000-25000-10000-5000-10000-25000-30000-250

16、00-10000-20000-10000-10000-5000-2000-5000-5000-5000-2000-2000050000-5000-20005000100005000100005000-200050000000YXZXYZSZZ(Pa)0-2000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000-600000-700000-800000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10锚索预应力场（应压力）分布 1 巷道锚杆支护理论

17、与方案设计次生承载层q 锚索作用：将锚杆压应力区连结为整体，并使深部岩体产生压应力场q 一将锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连，二是挤紧和压密岩层层理节理，增加不连续面抗剪力，提高围岩的整体强度。1 巷道锚杆支护理论与方案设计1.4 锚杆、锚索结构及作用阻尼阻尼螺母螺母减摩减摩垫圈垫圈调心垫调心垫碟形托盘碟形托盘杆体杆体1 巷道锚杆支护理论与方案设计1、锚杆杆体作用q 对锚杆杆体来说，长度方向的尺寸远大于径向方向，属于力学意义上的杆件。在锚杆支护中，它提供两个作用：抗拉、抗剪1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 左旋无纵筋螺纹钢锚杆左旋和右旋的区别，有无纵筋的区别。q 对锚固剂的压实作用压实作用

18、，通过左旋螺纹和去掉纵筋，实现在锚杆旋转的同时，压实锚固计，提高锚杆的锚固性能。1 巷道锚杆支护理论与方案设计材质材质直径直径/mm屈服强度屈服强度/MPa抗拉强度抗拉强度/MPa屈服力屈服力/kN破断力破断力/kNBHRB33520335490105.2153.922335490127.3186.224/25335490151.5221.6BHRB40022400570151.9216.624400570180.9257.7BHRB50022500670189.9254.624500670226.1302.9BHRB60022600800228.1304.124600800271.3361.

19、7q 普通螺纹钢锚杆钢筋的拉伸力学性能1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 高强螺纹钢锚杆钢筋的拉伸力学性能-经调制 强韧化方式（加热淬火，高温回火：如880-900淬火，640-660回火）1 巷道锚杆支护理论与方案设计R42R49LB18HR12DR23F1 巷道锚杆支护理论与方案设计2、托盘的作用托盘的作用有以下三个方面：q 组成锚杆支护系统，收集围岩载荷并集中于锚杆杆体，实现锚杆正常工作（工作阻力）；q 保持护表面积，有效扩散锚杆预应力，改善围岩应力环境，抑制围岩离层、结构面滑动和节理发育，实现锚杆主动支护性能q 有限让压1 巷道锚杆支护理论与方案设计螺母最重要的作用是：通过增加预紧扭矩，

20、压紧围岩与其他构件，形成预应力；约束其他构件位移，形成锚杆的工作阻力。螺母的技术要求：利于施加预紧力；与杆体强度相匹配；易于安装（阻尼螺母）1 巷道锚杆支护理论与方案设计3、螺母作用杆体螺母组合摩擦系数 锚杆预紧力锚杆预紧力q 预应力是锚杆支护中的关键参数，对支护效果起着决定性作用，是锚杆支护称为主动支护的根本特征。q 锚杆预应力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。如果选择合理的预应力值，能够实现对离层与滑动的有效控制，利于维护巷道的稳定。针对我国巷道条件与施工工具，预紧力取锚杆屈服载荷的30%-50% 60%为宜。1 巷道锚杆支护理论与方案设计4、减摩垫圈的作用M24规格锚

21、杆预紧力与与预紧力对应关系实验1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 锚杆预紧力井下实测与实验室测试结果误差分析1 巷道锚杆支护理论与方案设计f1 -螺母与锚杆螺纹段间的滑动摩擦系数；F0 -螺母、垫圈端面间滑动摩擦系数；d2-螺纹中径，mm；D1-螺母端部有效接触面外接圆直径，mm；s-螺纹导程，mm，s=nt；n-螺纹头数；t-螺距，mm；M-螺纹预紧力矩，kN。m；1 巷道锚杆支护理论与方案设计 q 锚杆预紧力的计算公式 q 导致出现上述现象的主要原因之是：实验室采用的锚杆螺纹为标准螺栓，加工精度高，表面光滑，螺母与螺纹见的摩擦力小，因此k值大，预紧力小；而井下使用的锚杆，采用滚丝加工工艺，加

22、工精度低，螺母与螺纹间的摩擦力大，因此k值小，预紧力小。这种现象在锚杆力矩大的情况下更为突出。实验室试验条件与井下有较大区别。如实验室锚杆托板置于比较平滑、刚性的试验台上，锚杆受力均匀；而井下巷道顶板一般比较粗糙，甚至松软破碎、凹凸不平，导致锚杆受力不均匀。1 巷道锚杆支护理论与方案设计锚索索体碟形托盘锁具1 巷道锚杆支护理论与方案设计5、锚索构件的作用 公称直径/mm强度级别/MPa最大负荷/KN屈服极限/KN伸长率%12.517701641463.518601731543.512.917701711583.518601861663.515.217702462203.518602592303

23、.515.717702652363.518602792483.517.817203272943.518603533183.5q 预应力钢绞线的力学性能 引自GB/T 5224-2014 预应力混凝土用钢绞线1 巷道锚杆支护理论与方案设计1 巷道锚杆支护理论与方案设计6、锚杆、锚索作用对比分析q 锚杆和锚索各有优势，各有不足：1 巷道锚杆支护理论与方案设计1 巷道锚杆支护理论与方案设计高强预应力锚杆高强预应力锚杆合适的锚杆参数合适的锚杆参数最佳的锚固效果最佳的锚固效果+1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 地质力学评估；q 初始设计；q 井下监测和信息反馈；q 修正初始设计；q 日常监测（顶板离层锚

24、杆受力）1 巷道锚杆支护理论与方案设计1.5 锚杆支护参数的方案设计1、锚杆支护参数的动态信息设计法5.5m45m4m7.5m25301工作面24301采空区25301胶带巷25301轨道巷24301轨道巷24301胶带巷24302采空区区段煤柱24301轨道巷q 华晋焦煤沙曲矿25301轨道巷q 25301工作面采长187m，布置在24301工作面采空区内，其胶带巷布置在24301工作面胶带巷内错4m处，轨道巷位于24301轨道巷内错7.5m处，两煤层间距为5.5m。1 巷道锚杆支护理论与方案设计1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 25301工作面超前支承应力影响范围约为15.8m17m，于6

25、.7m7.5m处达到峰值，影响范围小；25301回采巷道观测期间最终变形量为30mm50mm，受超前支承压力影响不大，影响程度轻。巷道在原支护条件下维护效果好，同类型地质条件下可适当减小锚索梁网联合支护密度。q 一次支护原则 q 高预应力与预应力扩散原则q “三高一低”原则：高强度、高刚度、高可靠性，低密度。q 临界支护刚度和强度原则，不能低于临界值；q 相互匹配原则； q 可操作性原则；q 经济合理原则1 巷道锚杆支护理论与方案设计2、确定支护形式与参数的原则： 实现复杂困难巷道一次支护应满足以下条件：q 支护系统应有足够的初期支护强度与刚度，有效控制离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续

26、变形，保持围岩的完整性。一方面保证锚固体整体结构不破坏，另一方面确保锚杆、锚索的锚固力，并使其有效扩散到围岩中。否则，锚固体整体结构将遭到破坏，锚杆、锚索的后期锚固力大大降低，支护阻力无法有效传递到围岩，支护系统将会失效。q 支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有一定的连续变形和整体位移。但是，巷道在服务期间的总位移量应满足生产要求。q 支护系统应有可操作性。提供的支护设计在井下应能比较方便的操作，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。q 在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。1 巷道锚杆支护理论与方案设计q 预应力-锚杆关

27、键参数，对支护效果起决定性作用。q 很多矿区没有认识到预应力重要性，且施工机具不能提供较大预应力，预应力普遍低，一般预紧力矩为100-150N.m，预应力为15-20kN，被动支护。q 根据我国巷道条件，确定锚杆预应力为杆体屈服载荷的30-50% 60% 。对于HRB600、直径25mm的强力锚杆，预应力的取值范围为90-150kN。1 巷道锚杆支护理论与方案设计3、锚杆预紧力参数选取：q 对于高密度支护，受现场操作工序和施工进度的要求，不可能一味地去增加锚杆密度，最好的办法是使用高强度锚杆配套大托盘以增大锚杆对巷道表面的约束力。材质材质直径直径/mm屈服强度屈服强度/MPa抗拉强度抗拉强度/

28、MPa屈服力屈服力/kN破断力破断力/kNBHRB33520335490105.2153.922335490127.3186.224/25335490151.5221.6BHRB40022400570151.9216.624400570180.9257.7BHRB50022500670189.9254.624500670226.1302.9BHRB60022600800228.1304.124600800271.3361.71 巷道锚杆支护理论与方案设计q 决定参数。首先判断初始设计锚杆预应力是否合理。q 1) 顶板出现弯曲，锚固区内外离层值超出指标值；q 2) 两帮破坏范围大，相对移近量大；

29、q 3) 锚杆受力不大，但与围岩一起向巷道内移动；q 4) 锚杆间围岩破碎、鼓出；q 最有效方法合理提高锚杆预应力,优化托板、钢带护表构件尺寸与参数，实现预应力有效扩散。q 初步确定预应力范围为杆体屈服强度3050%。设计预应力越大，要求杆体强度越高、直径越大。q 只有杆体强度和直径不能满足高预应力支护要求，才考虑减小锚杆间排距，增加密度，以及改变其它支护参数。1 巷道锚杆支护理论与方案设计4、托盘参数选取：q 选择托盘必须使托盘的承载力与锚杆的锚固力相适应，并使杆体、螺母受力均匀。目前常用的锚杆托盘为碟形托盘q 支护要求：q 1）承载能力应不小于杆 体屈服力的1.3倍；q 2）应有一定的变形

30、能力；q 3）应有一定的面积；q 4）应有一定的调心能力。5、锚杆、锚索同排布置 or 交错布置q 西山煤电集团某采煤工作面回采巷道，巷道宽高=5.0m3.0m，顶板布置6根锚杆，间排距为900mm1000mm，锚杆直径20mm，长度为2.0m，破断载荷153kN，采用加长锚固，锚固长度1.0m。锚索直径为21.6mm，长度为6.0m，破断载荷为600kN，锚索锚固长度2.0m。方案方案参数参数方案1锚杆、锚索同排布置 “一三五”“二四六”间隔间排距1.8m1.0m方案2锚杆、锚索交替布置，“二二”间隔间排距1.8m2.0m方案3锚杆、锚索交替布置，“二一二”间隔间排距1.8m1.0m方案4锚

31、杆、锚索交替布置，“二二”间隔间排距1.8m1.0m方案3方案1方案1q 巷道围岩内部预应力分布状态呈现以锚索预应力为主、锚杆预应力为辅的分布形态，表现为锚索形成的预应力分布范围和预应力大小的量级都远远超过了锚杆，锚杆在围岩内部和顶板表面形成的预应力不明显，几乎可以忽略。因此锚杆对浅部围岩加固的效果十分有限，巷道浅部和深部围岩加固效果大部分依靠锚索提供。 锚索预应力压紧围岩，造成附近区域的锚杆松脱，使锚杆失效。方案3q 锚杆在自由段内形成了有效的压应力区域，在巷道围岩浅部范围内形成以锚杆为主体的预应力承载结构。锚索布置在两排锚杆之间的区域，把锚杆形成的承载结构与巷道深部的稳定岩层结合，连接且叠

32、加成一个范围很大的主动支护区，锚杆锚索有效压应力区相互连接、重叠，形成以锚索为骨架、锚杆为连续带的骨架网状结构，对锚杆、锚索之间围岩的协同支护作用非常明显，预应力承载结构比较合理，支护效果明显得到改善。q较大锚索托盘与锚索的支护密度q 在高预应力锚杆锚索支护系统或全断面锚索支护系统中，锚索初始预紧力对支护系统起着重要乃至决定性的作用，而在实际工程应用中，广泛存在着锚索预应力损失的问题，这严重降低了锚固体对围岩的控制作用。1 巷道锚杆支护理论与方案设计6、锚索预紧力损失：余吾煤业井下测试结果锚索预应力损失的原因张拉锁定过程损失 锚索松弛 煤岩体压缩蠕变 水和温度 动载荷影响 孔道摩擦 群锚效应施

33、工质量应用案例1q 甘肃某油页岩巷道：埋深700mm-750mm 岩性名称破坏载荷/kN单轴抗压强度/MPa平均抗压抗压强度平均抗压抗压强度/MPa顶板泥灰岩39.015.615.451.619.129.811.6油页岩51.819.614.130.012.324.610.4底板油页岩51.819.814.338.415.220.38.11 巷道锚杆支护理论与方案设计 q 顶板两帮均采用HRB335、20 mm、L2400 mm的螺纹钢锚杆，配合球形调心垫圈、快速安装螺帽、150 mm150 mm10 mm的碟形托盘、单层菱形金属网、12#钢筋梯子梁支护；q 顶板布置两根17.8 mm、L73

34、00 mm锚索，配合300 mm300 mm10 mm碟形托盘和锁具。q 锚杆预紧力矩300Nm左右，预紧力50kN；锚索预紧力120kN1 巷道锚杆支护理论与方案设计巷道维护效果1 巷道锚杆支护理论与方案设计3700煤 （ 2.4m） 强 力 锚 杆（ 25mm， 2.4m）q 山东某矿运输巷支护断面图q 原支护前掘后修q 25mm、2.4m BHRB600强力锚杆q 高预紧力(100kN) 破断力(400kN)q 280、5mm钢带q 排距增大到1m应用案例2：高应力深井巷道1 巷道锚杆支护理论与方案设计高强高预紧力支护效果原支护效果 矿压监测数据：q 顶底板移近量是原来的30.5%； 两

35、帮移近量是原来的22.2%1 巷道锚杆支护理论与方案设计中国矿业大学中国矿业大学 China University Of Mining And Technologyq 巷道埋深为-780 m，以砂质泥岩、粉砂岩为主,断面为16.9 m2，原支护方式为锚喷支护。q 据井下观测和宏观统计，-780 m大巷破坏原因,主要有：1）埋深大，应力高；2）强烈地质构造应力作用；3）矿井水及高温的影响；4）支护设计问题.应用案例3：薛湖矿深井高应力破碎区巷道控制技术1 巷道锚杆支护理论与方案设计采用高强预应力锚索联合支护技术q 关键部位加强支护；q 锚杆预紧力矩250Nm - 300Nm左右，预紧力50kN左

36、右；锚索预紧力120kN。中国矿业大学中国矿业大学 China University Of Mining And Technologyq 井下监测结果分析：布置矿压监测站,观测新支护方案实施前、后巷道内部位移、巷道表面位移状况,其监测结果如下图。新方案前新方案后1 巷道锚杆支护理论与方案设计中国矿业大学中国矿业大学 China University Of Mining And Technologyq 为了更好检验新支护方案的效果,结合井下的具体条件,选择变形严重的区域以及应力集中的部位进行钻孔录像,观测巷道不同深度部位围岩状况,其观测结果如图所示。 距巷道表面100cm 距巷道表面150cmq

37、 由图可知,巷道围岩整体完整,无明显的顶板离层、围岩裂纹、岩层错动等现象发生,表明锚网索联合支护技术成功控制了围岩的破坏。1 巷道锚杆支护理论与方案设计1 巷道锚杆支护理论与方案设计高强高预应力让压锚杆 让压前图片 高强高预应力让压锚杆 让压后图片高强高预应力让压锚杆构件1 巷道锚杆支护理论与方案设计无让压管和有让压管拉拔试验曲线高强高预应力让压锚杆 让压前高强高预应力让压锚杆 让压后1 巷道锚杆支护理论与方案设计2 巷道布置及应力转移技术q 影响巷道围岩稳定性的主要因素有四：巷道所在位置的围围岩应力岩应力（P0）、围岩力学性能围岩力学性能（c、G）、支护阻力（Pi）和巷道断面形式与尺寸，这也

38、是控制巷道围岩变形的4个主要技术途径。优化力学环境合理布置巷道应力转移技术q “合理”的涵义： 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。2.1 合理的巷道布置2 巷道布置及应力转移技术q 区段平巷变形的5个典型阶段：2.1 合理的巷道布置2 巷道布置及应力转移技术1、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定假设分布实际分布原岩水平应力忽略自重巷道影响圈8RoH20RoZ 20 R0P00P0P0P0R0P0R0P巷道影响圈无自重 埋深巷道的力学特点 轴对称圆巷的条件2121rrHr2121trHr 2 巷道布置及应力转移技术q 假设

39、巷道宽度为4.2m，高度为3.95m222.11.9752.9tRmq 则巷道的影响范围为10Rt，即29m。q 相对来说，巷道之间虽然有应力扰动存在，但扰动强度较低，影响时间短，在高强高预紧力一次支护后，巷道对应力扰动的敏感性降低，有能力抵抗一定程度应力叠加的能力。2 巷道布置及应力转移技术q 上部距离80.2m，下部距离120m 160m。q 但24207工作面开采时，上部区域无明显变形，下部区域巷道变形量较大，有轻微破碎现象。说明了，不同支护刚度的巷道对应力扰动的敏感性不同。2 巷道布置及应力转移技术采动引起的应力重新分布已采区及其两侧煤柱的应力分布冒落带；裂隙带；变曲下图4-1 已采区

40、及其两侧煤柱沉带；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 2、单一煤层采空区实体煤侧巷道布置2 巷道布置及应力转移技术q 开采高度2m，采空区边缘应力降低区约12m-14mq 实体煤侧应力降低区3m-4m；应力增高区5m-12+mq 侧向支撑压力峰值在6m-8m左右，范围为4m。q 采空区边缘实体煤内应力梯度较大。2 巷道布置及应力转移技术q 新元煤矿东四正巷位于中央进风立井井筒以东，南北方向平行布置，全长1846米，为由北向南施工。巷道设计为矩形断面。正巷与中间巷之间煤柱宽22米。2 巷道布置及应力转移技术（a）离巷帮2m处（b）离巷帮8m处（c）离巷帮14m处（d）

41、离巷帮20m处2 巷道布置及应力转移技术煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布煤柱下方底板垂直应力等值线分布3、煤层群底板巷道布置2 巷道布置及应力转移技术-20-10-100-1000-1500-20-5-200-15-10-10-5-15-10-10-15-10-10-10-15-10-5-25-30-10-5-15-10-10-10-10-10-10-10-10-10SZZ(MPa)0-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55q 采空区边缘应力降低区约16m；q 煤柱宽约20m，最大应力30MPa，应力集中系数3；q 侧向支撑压力峰值在4m-6m左右。开采高度4m

42、，煤柱宽度20m2 巷道布置及应力转移技术q 巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。因此，在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。巷道轴向平行、垂直构造应力条件下， 周边围岩应力分布 4、明确最大主应力方向（构造应力）时的巷道布置2 巷道布置及应力转移技术q 巷道轴向与最大构造应力夹角对巷道的稳定性影响为:在=015范围内为影响轻微区;在=1575范围内为影响增长区;在=7590范围内为影响剧烈区.因此当巷道轴向与最大构造应力方向平行时,受构造应力影响最小,对巷道的稳定最为

43、有利;当巷道轴向与最大构造应力方向垂直时,受构造应力影响最大,对巷道的稳定最为不利.2 巷道布置及应力转移技术q 将巷道布置在煤层开采后所形成的应力降低区域内。q 应尽量避免支承压力叠加作用，或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。q 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。q 巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂直断层构造带或向、背斜构造。q 相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度。q 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。q 巷道布置的原则2 巷道布置及应力转移技术2 巷道布置

44、及应力转移技术q 华晋焦煤有限责任公司沙曲矿北翼山西组2、3+4、5号煤层为近距离煤层，2号煤层下距3+4号煤平均14m，下距5号煤平均22.1m。3+4号煤层24208工作面为北二采区第八个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。其东面至北轨大巷；西面为开拓区；南面为正在回采的24207工作面；上方为22201工作面。24208工作面煤层倾角平均4，走向长1600m，开切眼长246m，工作面底板标高354m467m，地面标高885m1077m。应用案例1：煤层群底板巷道布置2 巷道布置及应力转移技术22201工作面采空区24208回风巷（原胶带巷）17m24207回风巷2号煤层24207沿空留巷墙

45、体24208工作面3+4号煤层24208轨道巷（现24207胶带巷）14m307措施巷24208工作面24207回风巷24208轨道巷（现24207胶带巷）24208回风巷（原胶带巷）新24208胶带巷22201机轨合一巷1447.5m1496.0m240.8m45.0mq 24208工作面布置图2 巷道布置及应力转移技术q 新24208胶带巷合理位置确定q 24208回风巷（原胶带巷）和新24208胶带巷之间区段煤柱的宽度应大于24208工作面侧向支承压力范围和巷道应力影响范围之和，避免应力彼此叠加，因此，区段煤柱的宽度应大于44.5m，取为45m。45m采空区24208回风巷（原胶带巷）新

46、24208胶带巷17m24207回风巷24208轨道巷（现24207胶带巷）2#煤层24207沿空留巷墙体24208工作面3+4#煤层14m22201轨道巷2 巷道布置及应力转移技术对于高应力大变形巷道来说，相对降低围岩应力以达到保护巷道，是控制巷道围岩变形的一条有效途径。因此，从控制应力的角度提出“巷道围岩应力转移理论与技术”的研究问题2.2 大变形巷道的应力转移技术2 巷道布置及应力转移技术q 1、围岩开槽及松动爆破技术q 2、巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术q 3、顶板掘巷应力转移原理与技术q 4、底板掘巷的应力转移原理与技术q 5、煤层上行开采的应力转移原理与技术q 6、巷道底板松动爆破应力转移与注浆加固技术3、锚杆预紧力参数选取：2 巷道布置及应力转移技术q 开槽后应力向