巷道矿压显现规律.ppt

1、第七章 巷道矿压显现规律,第一节 巷道围岩体应力及变形规律,受采动影响的原岩应力 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 构造应力对巷道稳定性的影响 受采动影响的围岩变形,受采动影响的原岩应力,原岩体内掘进巷道引起的原岩应力 回采工作面周围支撑压力分布 采动引起的底板岩层应力分布,原岩体内掘进巷道引起的原岩应力,巷道周边塑性带的形成及其分布,注意：破碎的岩石仍然具有一定的强度，在估算岩体强度时要注意岩体塑性区物理参数的变化。,塑性区半径和巷道周边位移,回采工作面周围支撑压力分布,工作面前方超前支撑压力,工作面倾斜、仰斜方向残余支撑压力,工作面后方采空区支撑压力,工作面前方应力变化区,工作面控顶区,

2、垮落岩石逐渐压缩区,垮落岩石压实区,垮落岩石松散区,采动引起底板岩层的应力分布,相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定,影响井下巷道或硐室群稳定的因素,巷道应力影响带,巷间岩柱的稳定性,影响井下巷道或硐室群稳定的因素,关键因素是围岩应力、围岩强度及边界条件，但是巷道或硐室之间距离不同时，降直接影响到巷道或硐室群的围岩应力大小和分布。,影响巷道或硐室群稳定性的主要因素：,巷硐所处的深度,同一水平上，相邻巷硐的数目,巷硐间支承岩柱的宽度和高度；,巷硐的形状和尺寸；,巷硐的围岩及其支承岩柱的强度；,巷硐支架的支承能力及与围岩的相互作用,巷道围岩应力影响带,不重叠 重叠但没有达到相邻巷道，应力可相互叠加。

3、 静水压力应力场，巷道的应力影响区为半径等于6a的圆。 非静水压应力场中，巷道的影响区域为长轴不大于12a的椭圆。 断面相同的两圆形巷道的间距为：,应力影响带，一般以不超过应力值的5作为影响带的边界。,半径不同的两圆形巷道的间距为：,确定相邻非圆形巷道间距时，应根据巷道断面 的形状进行具体的计算，上述公式可以借鉴。,由于解析界的局限性，对于非圆形巷道的弹塑性解可以采用数值计算方法,岩柱的稳定性,影响因素：岩柱的载荷和岩柱强度。 理论：压力拱理论 有限区域理论（经典公式、king公式） Wilson理论。 岩柱的强度：岩体强度、岩柱的宽度和高度以及构造特征。 实验结果表明：岩柱的宽高比B/h5时

4、，其强度将随 B/h的增大，显著增大。一般情况下B/h10时，岩柱不易破坏。,相邻巷道间合理距离,我国在目前采深条件下： 大巷的间距20-40m，根据围岩的情况进行取值； 在浅部和坚硬围岩的以及急倾斜煤层情况下可减小到10m；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可增大致50m；,构造应力对巷道稳定性的影响,概念 种类：地质构造发生过程中，在地下岩体内所产生的应力；已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力； 工程角度：古构造应力、新构造应力和在岩石生成过程中形成的结构内应力都属于构造应力。 发生部位：集中在地质构造变动比较剧烈的地区，如褶曲带中曲率半径比较小的区域，岩层发生扭转的地点，断层附近，特别

5、是断层端部和两断层交汇处，以及岩层厚度发生剧变的地方。 分布规律：因为拉应力构造通常有利于构造应力的释放，构造应力主要集中在压应力构造带和剪应力构造带,基本特点：以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。 测量方法：应力恢复法、应力解除法、水压致裂法，煤矿中常用应力解除法。,水平应力对巷道稳定性的影响,水平应力是影响巷道顶板冒落、底板鼓起、两帮内挤的主要因素。 顶板岩层在水平应力作用下可能出现两种破坏形式： 软岩和厚煤层中，底板岩层在水平应力作用下，形成底鼓。 引起较大的拉应力，两帮破裂、鼓出和塌落，破坏深度较大。,薄层页岩类岩层沿层面滑移,厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切,合理的巷

6、道布置方向,巷道轴向与构造应力平行时：,巷道轴向与构造应力垂直时：,巷道布置方向与构造应力的方向有很大的关系，只有正确的布置巷道的方向，才能削弱构造应力对巷道稳定性的影响。,受采动影响巷道的变形,变形量的构成： 巷道顶板下沉量、底板鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量及巷道剩余断面积等。,巷道顶底板移近量,巷道围岩变形量分掘进引起的变形，回采引起的变形，以及采掘影响趋于稳定后的围岩流变。,采准巷道围岩变形规律,采准巷道开掘报废 巷道掘进影响阶段 掘进影响稳定阶段 采动影响阶段 采动影响稳定阶段 二次采动影响阶段,掘巷影响区,掘巷影响稳定区,回采影响区,回采影响稳定区,下区段回采影响区,与回采工作

7、面的距离或时间,上区段工作面（A）,下区段工作面（B）,围岩变形速度,第二节受采动影响矿压显现规律,巷道位置类型 区段巷道的位置和矿压显现规律 底板巷道的位置和矿压显现规律 上下山的位置和矿压显现规律 巷道位置参数的选择 综放面回采巷道矿压显现特点,27,回采空间相对位置、采掘关系,分类依据：,本煤层巷道,底板巷道,顶板巷道,分层巷道,二、区段巷道的位置和矿压显现规律,区段巷道的布置方式 区段巷道矿压显现规律 厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律,29,依据：区段回采的准备系统,煤体煤体巷道，薄煤层分层开采的上分层区段巷道属于此类,煤体煤柱巷道,煤体无煤柱巷道,30,区段巷道矿压显现规律,

8、煤体一煤体巷道服务期间内，围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。由于巷道在采面后方已经废弃，巷道仅经历采面前方采动影响，围岩变形量比采动影响阶段全过程小得多，一般仅1/3左右。 煤体一煤柱或无煤柱(采动稳定)巷道服务期间，围岩的变形同样经历三个阶段(工作面前方采动影响)。但是巷道整个服务期间内，始终受相邻区段采空区残余支承压力的影响，三个影响阶段的围岩变形均大于煤体一煤体巷道。巷道的围岩变形量除了取决于开采深度、巷道围岩性质、工作面顶板结构和相邻区段采空区采动稳定程度外，与沿空护巷方式及保护煤柱宽度密切相关。,煤体一煤柱或无煤柱(正采动)巷道服务期间，围岩的变形将经历全

9、部的五个阶段，。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。巷道的围岩变形量除了与开采深度、巷道围岩性质、采动状况有关外，工作面顶板结构、沿空护巷方式和煤柱宽度都起决定性作用。不采用煤柱保护巷道时，为沿空保留巷道。,32,厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律,三种巷道布置方式；与上部煤层有三种位置关系：,1.布置在已稳定的采空区下方，附近无上分层遗留煤柱,2.布置在已稳定的采空区下方，并在上分层护巷煤柱附近,3.巷道布置在上分层护巷煤柱下部,注意事项：下分层巷道、一侧已采的煤体附近、支承压力，上分层煤体边缘之间的水平距离有关、水平距离超过2 m、已不明显。 下分层巷道、两侧均已采空的煤柱附

10、近、支承压力叠加的强烈影响、围岩变形显著。改善、要求保持510 m的水平距离。增加煤量损失。无煤柱开采，减少煤炭损失，改善下分层巷道的维护十分有利。临近间距较小的煤层，巷道布置原则与此一致。,33,底板巷道的位置和矿压显现规律,1.底板巷道的位置 2.底板巷道的矿压显现规律 3.厚煤层主要巷道的布置方式,34,1.底板巷道的位置,分类依据： 在上部煤层回采活动影响下，底板巷道的受力状况和围岩变形有很大差别。按照巷道与上部煤层回采空间的相对位置和开采时间关系，巷道的位置可归纳为以下三种情况：,a.布置在已稳定的采空区下部。在上部煤层回采空间形成的底板应力降低区内，图中I，巷道整个服务期间内不受采

11、动影响。,b.布置在保护煤柱下部。经历保护煤柱两侧回采工作面的超前采动影响，见图中。保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。,c.布置在尚未开采的工作面下部。经历上部采面的跨采影响后，位于已稳定的采空区下部应力降低区内,35,底板巷道的矿压显现规律,保护煤柱不够宽的情况下,采面跨采条件下,36,四、上下山的位置和矿压显现规律,上、下山巷道的位置 上、下山巷道矿压显现规律,37,依据：按巷道与回采空间的相对位置和回采顺序,位于煤层内用煤柱保护的上、下山,位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山,上、下山位

12、于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采，不留护巷煤柱。,上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采，不留护巷煤柱。比较两种跨采方式的差别。,说明：跨上、下山开采能使工作面推进长度达到2000-3000m，但是，不宜留设保护煤柱，因为上下山长期受到煤柱的影响。,38,上、下山的位置和矿压显现规律,上、下山围岩变形将经历: 掘巷期间明显变形，(a,b)然后趋向稳定，一翼采动影响期间显著变形，然后又趋向稳定，另一翼采动影响期间强烈变形，最后在两侧采空引起的叠加支承压力作用下，再次趋向以较大的变形速度持续变形 各时期围岩变形量的大小，主要取决于护巷煤柱的宽度、巷道与上部开采空间的距离

13、及围岩的性质。回采本煤层时，还会受到本煤层保护煤柱两侧工作面超前采动影响，有时应力增高系数可高达57。,39,上、下山巷道围岩变形在掘巷期间(c)，掘巷影响趋向稳定期间，一翼采动影响期间，一翼采动影响趋向稳定期间与上、下山用煤柱保护时基本相同。 但是，在另一翼跨采影响期间上、下山开始受两侧采动引起的支承压力的叠加影响，随着右翼工作面推进，左右两翼工作面间的煤柱逐渐缩小，支承压力的影响急剧增加，附加围岩变形量远大于用煤柱保护时围岩附加变形量，而跨采后处于应力降低区内的围岩平均变形速度又明显小于用煤柱保护时两翼采动影响趋向稳定时期的围岩平均变形。,40,上、下山 (d) 巷道的围岩变形只经过掘巷期

14、间明显变形，然后趋向稳定，跨采引起围岩变形急剧增加，以及跨采之后围岩变形趋向稳定四个时期，总变形量显著减少,采区巷道破坏形式及其主要原因,顶板 底板 两帮 顶板及两帮 底板及两帮 顶底板及两帮,第三节 巷道围岩控制原理,巷道围岩压力及其影响因素 巷道围岩控制原理和方法 巷道围岩稳定性分类及支护选择,巷道围岩控制的基本途径：,巷道围岩压力及影响因素,松动围岩压力,变形围岩压力,膨胀围岩压力,冲击和撞击围岩压力,围岩压力,影响围岩压力的因素,开采技术因素,地质因素,回采工作状况,巷道保护方法,原岩应力状态,围岩力学性质,岩体结构,岩石的组成和胶结状态,围岩中水分的补给状况,巷道围岩控制原理和方法,

15、巷道围岩控制：控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取措施的总和。,巷道围岩控制原理：根据巷道围岩应力、围岩强度以及它们之间的相互关系，选择合适的巷道布置和保护及支护方式。降低围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，有效地控制围岩的变形、破坏。,关键点：对回采活动影响巷道围岩控制的认识，对巷道围岩岩体力学模型、变形及破坏机制判断的正确性，对巷道围岩赋存条件和岩体力学性质掌握的程度。,围绕降低巷道围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，巷道围岩控制方法可归结为巷道布置和巷道保护及支护两方面内容。,巷道布置应注意的问题： 在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在

16、煤层开采后所形成的应力降低区域内。 如果不能避开采动支承压力的影响，应尽量避免支承压力叠加的强烈作用，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。 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。 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。 相邻巷道或硐室之问选择合理的岩柱宽度。 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。,巷道保护及支护的措施： 通过在巷道围岩中钻孔卸压、切槽卸压、宽面掘巷卸压以及在巷旁留专门的卸压空间等方法，使巷道围岩受到某种形式的不同程度的卸载，将本该

17、作用于巷道周围的集中载荷，转移到离巷道较远的新的支承区，达到降低围岩应力的目的。 采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷道周边喷浆、支架壁后充填、围岩疏干封闭等方法，增高围岩强度，优化围岩受力条件和赋存环境。 架设支架对围岩施加径向力，既支撑松动塌落岩石，又能加大巷道的围压，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制塑性变形区和破裂区的发展。根据巷道不同时期的矿压显现规律，巷道支护可分为巷内基本支架支护、巷内加强支架支护、巷旁支护、联合支护四种形式。,巷道围岩稳定性分类及支护选择,巷道围岩稳定性分类的意义 巷道围岩稳定性分类方法 回采巷道围岩稳定性分类 围岩移近量预算,巷道围岩稳定性分类的意义

18、,当前地下工程的复杂性； 支护设计理论的局限性； 类比法及经验法的广泛应用； 巷道围岩稳定性分析的特殊性，依赖围岩稳定性分类系统，为巷道支护提供依据； 模糊数学、灰色系统理论、人工神经网络理论,巷道围岩稳定性分类方法,巷道围岩的稳定性受多种因素的影响。在采矿学科领域内，很多事物问的界限往往很不清晰，巷道围岩稳定性的类别是一个模糊概念。因此，模糊聚类分析方法较适用于巷道围岩稳定性分类。,聚类分析的步骤：,选取分类指标,确定聚类中心，建立判别模式,评判巷道稳定性的类别，预测巷道围岩的移近量，为支护提供依据。,回采巷道围岩稳定性分类,以缓倾斜、倾斜中厚煤层回采巷道受一次采动影响条件下围岩稳定性分类为基础，选择以下七个指标作为分类指标:,围岩强度,巷道顶板岩石单轴抗压强度,煤层单轴抗压强度,巷道底板岩石单轴抗压强度,围岩岩体完整性指标（直接顶初次垮落步距）,围岩应力,巷道埋深,本区段采动影响指标直接顶板厚