矿山压力与岩层控制7zi巷道矿压显现规律.ppt

矿山压力与岩层控制,第七章巷道矿压显现规律第一节巷道围岩应力及变形规律第二节受采动影响巷道矿压显现规律第三节巷道围岩控制原理,第一节巷道围岩应力及变形规律一、受采动影响巷道的围岩应力（一）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力,巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，围岩仍处于弹性状态，围岩应力可用弹性力学方法按平面应变问题计算。双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图7-1所示。,图7-1圆形巷道围岩弹性变形应力分布,如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，成为弹塑性介质。,在塑性区内圈（A）围岩强度明显削弱，低于原始应力γH，围岩发生破裂和位移称为破裂区，也叫卸载和应力降低区。塑性区外圈（B）的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力增高区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。,图7-2圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布,A破裂区；B塑性区；C弹性区；D原始应力区,（二）回采工作面周围支承压力分布煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道，它的维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外，主要取决于采动影响。煤层开采以后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带（图7-3）。,图7-3采空区应力重新分布概貌,1工作面前方超前支承压力2、3工作面倾斜方向残余支承压力4工作面后方采空区支承压力,工作面超前支承压力影响范围为40～80m，支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m应力增高系数为2～4。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。例如，在上下区段之间，上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高图7-4。,图7-4煤层凸出角处叠加支承压力,（三）采动引起的底板岩层应力分布煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围煤体（柱）上造成应力集中，还会在顶板与底板岩层内形成应力的重新分布。在底板岩层一定范围内应力的重新分布，成为影响底板巷道布置和维护的重要因素。煤层顶底板中支承压力集中程度随距开采煤层距离的增加而降低。,（a）一侧采空图7-5三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布,（b）两侧采空，煤柱宽B图7-5三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布,（c）两侧采空，煤柱宽2B图7-5三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布,图7-6上部煤层采动遗留保护煤柱引起底板岩层内应力分布,二、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定,（一）巷道围岩应力影响带巷道开掘以后，巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰乱的区域称为影响带，一般以超过原岩应力值的5％作为影响带的边界。如果相邻巷道的应力影响带彼此不重叠，可以忽略巷道间的相互影响。如果相邻巷道的应力影响带彼此重叠，但没有到达相邻巷道，可进行巷道围岩应力值的叠加。,在静水压应力场中，巷道的应力影响区域形状为半径等于6r的圆（r为巷道断面半径）。在非静水压应力场中，巷道的应力影响区域形状不再是圆形，一般为长轴不大于12r的椭圆。,因此，断面相同两圆形巷道的间距D为6r＜D＜12r半径不同两圆形巷道的间距D为6R＜D＜6（R＋R）如果巷道周边形成塑性变形区，相邻巷道的应力影响带不宜超过塑性变形区与弹性变形区的交界面。,（二）巷间岩柱的稳定性岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩柱强度。当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时，岩柱是不稳定的。,（三）相邻巷道间合理距离我国煤矿目前采深条件下，大巷间的距离以20～40m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，大巷间距可减小至10m；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可增大至50m。上下山及集中巷间距以15～30m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，上述距离可减小到10m，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应扩大到40～50m。,表7-2巷道相互影响系数,前苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程规定D＝（a1＋a2）K1a1＋a2相互影响的巷道总宽度，mK1巷道相互影响系数,三、构造应力对巷道稳定性的影响（一）构造应力构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。二）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、底板臌起、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一是薄层页岩类岩层沿层面滑移，二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。,（三）合理的巷道布置方向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。,图7-7巷道轴向与构造应力成一定角度时周边应围岩应力计算简图,图7-8巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应力分布a平行构造应力；b垂直构造应力,四、受采动影响巷道的围岩变形（一）巷道围岩变形量的构成巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板臌起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。（二）巷道围岩变形规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段（图7-9）。,图7-9区段平巷围岩变形,巷道掘进影响阶段无采掘影响阶段采动影响阶段采动影响稳定阶段二次采动影响阶段,表7-3采区平巷不同矿压显现带内顶底板移近规律,第二节、受采动影响巷道矿压显现规律一、巷道位置类型根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同，巷道位置可以分为以下几类（1）与回采空间在同一层面的巷道称为本煤层巷道，分析本煤层巷道位置时，仅考虑回采空间周围煤体上支承压力的分布规律，可作为平面问题处理。,（2）与回采空间不在同一层面，其下方的巷道称为底板巷道，分析底板巷道位置时，应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律，按空间问题处理，位于回采空间所在层面上方的巷道称为顶板巷道。（3）厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采面的采动影响。分析这类巷道位置时，依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系，综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。,二、区段巷道的位置和矿压显现规律（一）区段巷道的布置方式根据区段回采的准备系统，区段巷道可分成三种布置方式。（1）位于未经采动的煤体内，巷道两侧均为煤体，称为煤体-煤体巷道图7-10Ⅰ。,（2）巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，保护煤柱一侧的采面采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体-煤柱巷道（采动稳定）图7-10Ⅱ1；与保护煤柱一侧的采面区段巷道同时掘出，保护煤柱一侧的采面回采过程中，掘进的巷道称为煤体-煤柱巷道（正采动）图7-10Ⅲ1。,（3）巷道一侧为煤体，另一侧为采空区,采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为煤体-无煤柱（沿空掘进）巷道图7-10Ⅱ2；如果通过加强支护或采用其它有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为煤体-无煤柱（沿空保留）巷道图7-10Ⅲ2。,图7-10区段巷道布置方式示意图a煤柱护巷；b无煤柱护巷,二）区段巷道矿压显现规律（1）煤体-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。,（2）煤体-煤柱或采空区巷道服务期间，围岩的变形同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。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-煤体巷道。（3）煤体-煤柱或无煤柱巷道服务期间，围岩的变形将经历全部的五个阶段。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。,（三）厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律,图7-11厚煤层中下分层区段巷道布置方式a在已稳定的采空区下方b在已稳定的采空区下方靠近上分层护巷煤柱c在护巷煤柱下部；,三、底板巷道的位置和矿压显现规律（一）底板巷道的位置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，巷道的位置可归纳以下三种情况①巷道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，巷道整个服务期间内不受采动影响。,②巷道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。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。③巷道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。,图7-12底板巷道位置Ⅰ在已稳定的采空区下部；Ⅱ在保护煤柱下部；Ⅲ在尚未开采工作面下部，经历上部采面的跨采影响,（二）底板巷道的矿压显现规律,图7-13受上部煤层采动影响底板巷道变形a保护煤柱不够宽条件下,（二）底板巷道的矿压显现规律,图7-13受上部煤层采动影响底板巷道变形b采面跨采条件下,四、上、下山巷道的位置按巷道与回采空间的相对位置和回采顺序，可将上、下山的布置方式归纳为图7-14所列举的类型1.位于煤层内用煤柱保护的上、下山2.位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山3.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,图7-14受采动影响的上、下山布置方式,五、巷道位置参数的选择巷道位置参数既明确了巷道所在的层位及其围岩性质，也决定了巷道受到采动影响的程度。围岩性质是影响巷道维护诸因素中最为重要的因素。巷道布置类型及参数见示意图7-16。,图7-16巷道布置类型及布置参数示意图,（一）巷道围岩变形与Z、X值的关系现场实测表明在巷道围岩性质、开采深度和上部煤层采动状况等相同条件下，巷道围岩变形量与Z值的关系曲线如图7-17所示，巷道围岩变形量umm与巷道至上部煤层的垂距Zm之间呈幂函数关系。,图7-17巷道围岩变形与Z值的关系曲线1区段集中巷；2盘区上山,图7-18巷道围岩变形速度与上部煤柱边缘之间的水平距离关系曲线,1两帮移近速度2顶底移近速度,（三）计算底板巷道位置参数,图721应力降低区内底板巷道位置参数,表7-5巷道与跨采煤层间的最小距离/m,表7-6巷道与上部煤层边缘之间的水平距离X/m,4．顶板巷道位置参数我国煤层赋存条件复杂，在某些情况下，例如靠近煤层的底板岩层为强含水的奥灰岩或者软弱岩层；以及为了减轻或消除上部煤层的煤与瓦斯突出或冲击地压的危险，先开采下部作为保护层的煤层时，布置顶板巷道更有利。目前，我国主要用保护煤柱保护顶板巷道。,图7-22保护煤柱维护顶板巷道示意图a煤层走向方向；b煤层倾向方向,图7-23下部煤层（跨采）顶板巷道示意图,六、综放面回采巷道矿压显现特点1．实体煤巷道与综采分层工作面相比，综放整层工作面超前支承压力分布范围扩大，应力高峰位置前移；一般情况下综放巷道各项矿压显现指标参数均高于综采分层巷道。2．沿空掘进巷道以兖州兴隆庄煤矿为例，综放与综采一分层沿空巷道相比较超前支承压力明显影响区范围扩大20m左右；顶底板平均移近量增加400～100mm，顶底板平均移近速度增加12mm/d。,第三节巷道围岩控制原理一、巷道围岩压力及影响因素1．围岩压力围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力，统称为围岩压力。根据围岩压力的成因，可分为以下四种类型（1）松动围岩压力（2）变形围岩压力（3）膨胀围岩压力（4）冲击和撞击围岩压力,二、巷道围岩控制原理和方法1．巷道围岩控制原理巷道围岩控制是指控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取措施的总和。其基本原理是人们根据巷道围岩应力、围岩强度以及它们之间相互关系，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。,2．巷道布置从巷道围岩控制的角度出发，布置巷道时应重视下列问题①在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在煤层开采后所形成的应力降低区域内。②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，或者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。,③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。④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。⑤相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度。⑥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。,3．巷道保护及支护巷道的保护及支护措施可以归纳为以下几点1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。2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。,3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。,三．巷道围岩稳定性分类及支护选择巷道围岩稳定性的类别是一个模糊概念,选用模糊聚类分析方法.分类指标属于围岩强度方面巷道顶板岩石、煤层、底板岩石单向抗压强度，围岩岩体完整性指数。属于围岩应力方面巷道埋深，本区段采动影响指标，相邻区段采动影响指标。,表7-7回采巷道围岩稳定性分类指标聚类中心值,巷道围岩移近量预算,U0无采动影响阶段巷道顶底板移近量U1受本区段工作面一次采动影响巷道顶底板移近量U1-2一次采动后稳定期内无采掘影响阶段巷道顶底板移近量U2受下区段工作面二次采动影响巷道顶底板移近量,图7-24巷道埋深和围岩强度与顶底板移近量的关系曲线a无采动影响阶段；b一次采动影响阶段；c一次采动后稳定阶段,表7-9煤巷顶板锚杆基本支护形式与主要参数,