矿山压力及支护演示文件

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统称为围岩压力。根据围岩变形破

2、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

3、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

4、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

5、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

6、。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：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

7、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

8、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

9、 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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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0.9

17、1.2 W-巷道或硐室的跨度M 锚杆间距 M小于等于0.4Ll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

18、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。

19、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

20、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，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

21、种锚杆杆体，现介绍如下： （1）左旋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

22、，不需任何加工，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在一定长度和直径的胶

23、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。