7.矿山压力及其控制（第七章）.ppt

第七章巷道矿压显现规律,7.1巷道围岩应力及变形规律7.1.1受采动影响巷道的围岩应力（1）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态，岩体的原始铅直应力等于上部覆盖岩层的重量。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所示。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，为弹塑性介质。运用极限平衡理论，巷道围岩应力分布如图所示。在塑性区内围岩强度明显削弱，低于原始应力，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。试验表明，当围岩应力达到其极限强度后，围岩强度并没有完全丧失，而是随着变形的增加逐渐降低，直至降到残余强度为止。因此，在计算围岩应力和变形时，应注意围岩强度弱化过程中塑性区物性参数的变化。,在各向等压条件下，圆形巷道塑性区半径R和周边位移u的计算式为式中p－原岩应力；P－支护阻力；r－圆形巷道半径；φ－围岩的内摩擦角C－围岩的粘聚力；G－围岩的剪切弹性模数。,,,巷道的稳定性和周边位移主要取决于岩层原岩应力p，反映岩石强度性质的内摩擦角和粘聚力等。他们之间的关系为①巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈执教函数关系迅速增长；指数的大小取决于的变化，值越小，指数越大，u值增长愈迅速。②巷道的塑性区半径R和周边位移u随内摩擦角和粘聚力c的减小，即围岩强度降低，显著增大。,（2）回采工作面周围支承压力分布煤层开采过程中破坏了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。煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支撑点转移，从而在采空区四周形成支承压力带。,工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支撑压力或临时支撑压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定支撑压力或残余支撑压力。回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支撑压力，称为采空区支撑压力。,（3）采动引起的地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上造成应力集中，还会向底板深部传递，在底板岩层一定范围内重新分布应力，成为影响底板巷道布置和维护的重要因素。按着在集中载荷、均布载荷、三角形载荷作用下计算半无限平面体内应力的有关公式，计算在三种典型的载荷作用下底板岩层的应力分布（图7－5）。,图7－5（a）为一侧采空煤体，作用于煤体上的支撑压力近似三角形分布，应力增高系数为3。图7－5（b）、图7－5（c）均为两侧采空煤柱，煤柱宽度分别为B和2B，B一般等于工作面超前支撑压力影响范围，作用于煤柱上的支撑压力分别呈钟形和马鞍形分布，应力增高系数分别为5和3.5。图7－5中曲线def表示在载荷作用下，底板岩层不同深处水平截面上铅直应力的分布；曲线ghi表示底板岩层内铅直应力与自重应力比值的等值线，等值线外部铅直应力等于自重应力。,底板岩层内任一点的应力，主要取决于上部煤柱的载荷、该点与煤柱的垂直距离及该点与煤柱边缘或中心线的水平距离，具有以下规律性①一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支撑压力的影响深度约为1.5B～2B；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支撑压力的影响深度约为3B～4B。,②两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处最大。一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面上σz最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处。两侧已采、宽度较大的煤柱下，底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。③无论在何种形式煤层载荷作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，该角为影响角ψ，ψ一般为30-40。,沿工作面推进方向或沿工作面倾斜方向取纵向剖面，煤层底板岩层仍然相当于一个半无限体。按平面应变问题处理，计算覆岩在煤体上和已压实的冒落矸石上的支承压力引起的底板岩层应力，其最大主应力σmax的应力增高系数等值线分布见图7-6。,如图所示，除了在煤柱下方底板岩层一定范围内形成应力增高区外，位于煤柱附近的采空区下方底板岩层一定范围内形成应力降低区。底板岩层受采动影响过程中，随工作面推进σz在高度集中后急剧卸压，在铅直方向产生压缩和膨胀；伴生出水平方向的压缩和膨胀，出现水平应力升高区和卸压区。采空区下方底板浅部卸压甚至出现拉应力，岩层强度已大为减弱。同时，考虑到煤柱的压模作用，位于应力降低区内的底板巷道，与上部采空区及煤柱边缘之间应保持一定距离。,7.1.2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定相邻巷道的间距应使巷道间的相互影响不明显改变围岩的稳定性。一般从巷道应力影响带和巷道间岩柱的稳定性两方面分析研究。1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，可忽略巷道间的相互影响。,如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。各向同性弹性岩体中单一圆形巷道围岩内应力分布计算表明，在静水压应力场中，巷道的应力影响区形状为半径等于6a的圆（a为巷道断面半径）。在非静水压应力场中，巷道的应力影响区形状不再是圆形，一般为长轴不大于12a的椭圆。因此，断面相同的两圆形巷道的间距D为6rD12r半径不同的两圆形巷道的间距D为6RD6rR式中R-大圆形巷道半径r-小圆形巷道半径,确定相邻非圆形巷道间距时，应根据巷道断面形状进行具体计算。一般情况下可借鉴上述公式近似计算。如围岩局部的应力超过岩体强度，巷道周边向岩体学部扩展到一定范围形成塑性变形区，在塑性区与弹性区交界处围岩应力集中。确定相邻巷道间距时，相邻巷道的应力影响带不宜超过巷道塑性变形区与弹性变形区的交界。各向等压条件下，圆形巷道塑性区、弹性区内围岩应力分布和塑性区半径可解析计算。对于非圆形巷道的弹塑性围岩体，其应力分布和塑性区半径可采用数值计算方法，根据岩体基本质量级别按表7-1选用岩体物理力学参数,2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其承载能力时，岩柱是不稳定的。如岩柱所承受的载荷小于岩柱的承载能力，则岩柱是稳定的。计算岩柱载荷的理论有压力拱理论、有限区域理论经典公式、King公式和Wilson理论。岩柱的强度主要由组成岩柱的岩体强度、岩柱的宽度和高度及总的构造特征决定,已为大量现场资料所验证的经验公式有Obert-Dwvall/Wang1967和Bieniawski1968公式RRC0.7780.222B/h式中R-岩柱强度，MPa；RC-岩柱原位临界立方体单轴抗压强度，MPa；B–岩柱宽度，mh-岩柱高度，mRRC10.640.36B/h式中RC1-临界尺寸岩柱的强度，MPa实验结果表明，当岩柱的宽高比B/h大于5时，岩柱强度将随B/h的增加而显著增大；当B/h大于10时，一般情况下岩柱不易被破坏。,3相邻巷道间合理距离我国煤矿在目前采深条件下，大巷间的距离以2040m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1530m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4050m。,前苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程规定巷道的合理间距D由巷道宽度、巷道埋深、围岩强度、岩层倾角、巷道与岩层走向的夹角五个因素决定，并按下式计算Da1a2K1式中a1a2-相互影响的巷道总宽度，mK1-巷道相互影响系数，由表7-2确定。,7.1.3构造应力对巷道稳定性的影响1构造应力构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。构造应力包括地质构造发生过程中，在地下岩体内所产生的应力；以及已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。从工程角度看，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。构造应力主要集中在地质构造变动比较剧烈的地区。例如，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。,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。实测资料表明原岩应力场内铅直应力基本上等于上覆岩层重量，而由于构造应力的存在，水平应力普遍超过金尼克假设计算的数值，水平构造应力一般为铅直应力的0.55.5倍，在地质条件复杂地区甚至更高。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。,目前，应力地质力学方法研究构造应力场只是定性分析。要取得构造应力大小和方向定量资料，必须进行实地测量。测试方法主要有应力恢复法、应力解除法、水压致裂法。任何一种实测方法都需要通过扰动，打破原有状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对应力效应的间接测量来实现。煤矿中常用应力解除法。,2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一是薄层页岩类岩层沿层面滑移，二是厚层的砂岩岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。在软岩和厚煤层中，底板岩层在水平应力作用下，与形成褶曲构造相类似，向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘-塑性变形，底板岩层进入蠕变状态。因此，高水平应力是造成底板岩层破坏和强烈底鼓的主要原因。水平应力在巷道两帮引起较大的拉应力，造成两帮破裂、鼓出和塌落，破坏深度较大。,3合理的巷道布置方向水平应力是由岩层自重引起的水平应力，岩层之间的摩擦力和粘聚力以及水平构造应力组成。构造应力具有明显的方向性，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也不同，并有很大差异。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。,原岩应力场一定时，通过计算不同巷道方向条件下巷道围岩应力的变化，分析巷道与构造应力之间方向夹角对巷道稳定性的影响关系，确定合理的巷道方向。选择全平面应变计算模型，全平面应变问题是在平面应变问题分析的基础上叠加一个面外剪切及一个单向压缩应力状态。这种计算模型考虑了与巷道轴向有关的应力分量，适用于分析构造应力对不同方向巷道的稳定性的影响。,原坐标系坐标轴方向与三个σ1、σ2、σ3主应力的方向重合，σ1表示以水平构造应力为主的水平应力，σ2为铅直方向主应力，σ3代表除构造应力外其他因素引起的水平应力。Z轴与巷道轴向重合。巷道改变方向后，建立新的坐标系x’y’z’。z’轴表示改变后的巷道轴向，巷道方向与构造应力方向间夹角为α。θ角为圆形巷道断面的坐标角，以x’轴为起始线，计算圆形巷道周边应力值。,根据由水平构造应力引起的圆形巷道周边切向应力σθ、周边径向位移u的分布，依据围岩周边应力、位移分析巷道稳定性。计算结果表明，巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳定性影响最小；巷道轴向与构造应力方向垂直时，影响最大。构造应力对巷道稳定程度的影响，主要随α角正弦的平方值变化。如果α角小于2530时，构造应力对巷道稳定性的影响无明显变化。巷道轴向平行、垂直构造应力方向条件下，周边切向、径向应力分布见图7-8。,7.1.4受采动影响巷道的围岩变形1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、底板鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。巷道顶底板移近量是指巷道中心线高度减少值，两帮移近量是指巷道沿腰线水平的减少值。巷道围岩变形量主要由掘进引起的变形，回采引起的变形以及采掘影响趋向稳定后的围岩流变组成。由于开采深度、围岩力学性质和结构以及支护等巷道边界条件不同，巷道围岩变形量和变形速度有很大差异。,2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。,①巷道掘进影响阶段煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道埋藏深度和围岩性质。,②掘进影响稳定阶段掘巷引起的围岩应力重新分布趋于稳定，由于煤岩一般具有流变性，围岩变形还会随时间而缓慢增长，但其变形速度比掘巷初期要小得多。巷道的围岩变形速度仍取决埋藏深度和围岩性质。,③采动影响阶段巷道受上区段工作面A的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面A后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。远离工作面后方，巷道围岩变形速度逐渐衰减。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。,④采动影响稳定阶段回采引起的应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低，但仍然高于掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不断缓慢地增长。,⑤二次采动影响阶段巷道受本区段回采工作面B的回采影响时，由于上区段残余支承压力，本区段工作面超前支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力又一次重新分布，塑性区进一步扩大，应力的反复扰动使围岩变形比公受一次采动影响时更加强烈。每个影响阶段内巷道顶底板移近速度和移近量所占比值的一般规律见表7-3。,7.2受采动影响巷道矿压显现规律7.2.1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，位于其下方的巷道称为底板巷道，分析其位置时，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。当然，位于回采空间所在层面上方的巷道称为顶板巷道。分析顶板巷道位置时，不仅要考虑回采空间周围顶板岩层中应力分布规律，还要考虑上覆岩层移动、破坏规律。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，综合考虑回采周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。,7.2.2区段巷道的位置和矿压显现规律1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7-10。薄煤层、中厚煤层和厚煤层上分层的区段运输巷一般都属于这种布置方式。②巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，如保护煤柱一侧的采面已经采完且采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体-煤柱采动稳定巷道；如与保护煤柱一侧的采面区段巷道同时掘出，或在保护煤柱一侧的采面回采过程中，掘进的巷道称为煤体-煤柱正采动巷道。,③巷道一侧为煤体另一侧为采空区，如果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；如果通过加强支护或采用其他有效方法，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。,2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-煤柱或无煤柱采动稳定巷道服务期间，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柱-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支稳定程度外，与沿空护巷方式及保护煤柱宽度密切相关。,③煤体-煤柱或无煤柱正采动巷道服务期间，围岩的变形将经历全部的五个阶段，图7-9。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。这类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。,3厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律厚煤层中、下分层区段巷道相对本层工作面仍然是煤体-煤体、煤体-煤柱采动稳定、正采动、煤体-无煤柱采动稳定、正采动三种布置方式。与上部分层主要有以下三种位置关系布置在已稳定的采空区下方，附近无上分层遗留煤柱图7-11；布置在已稳定的采空区下方，并在上分层护巷煤柱附近；巷道布置在上分层护巷煤柱下部。中、下分层巷道如果位于上分层一侧已采的煤体附近，上分层煤体的支承压力，对下部分层巷道会产生一定影响。它的影响程度与巷道和上分层煤体边缘之间的水平距离有关。一般情况下，水平距离超过2m影响已不明显,中、下分层巷道如果位于上分层两侧圴已采空的煤柱附近，由于受到上分层煤柱支承压力叠加的强烈影响，围岩变形显著。为了改善这种巷道的维护，要求巷道与上分层煤柱边缘保持510m的水平距离。这种布置方式，增加了中、下分层的煤量的损失。厚煤层分层开采时，衽无煤柱开采，既可以减少煤炭损失，又对改善下部分层巷道的维护十分有利。邻近煤层中的区段巷道，如果煤层间距很小，其巷道布置围岩变形规律与厚煤层中下分层区段巷道类似。,7.2.3底板巷道的位置和矿压显现规律（1）底板巷道的位置在上部煤层回采活动的影响下，底板巷道的受力状况和围岩变形有很大的差别。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。,①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，见图7-12，巷道整个服务期间内不受采动影响。②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。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。,（2）底板巷道的矿压显现规律底板巷道从开掘到报废，由于上部煤层的采支影响，引起围岩应力反复重新分布，围岩变形速度随之变化。巷道Ⅰ仅经历在应力降低区内的巷道掘进影响阶段，然后进入掘进影响稳定阶段，围岩变形趋向稳定，变形量不大。巷道Ⅱ围岩变形要掘巷期间明显变形，然后趋向稳定；保护煤柱不足够宽时，受上部煤层工作面A回采影响期间显著变形，然后又趋向稳定；受上部煤层工作面B回采影响期间强烈变形，然后再次趋向以较大的变形速度接续变形图7-13。巷道Ⅲ围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，工作面跨越开采时引起围岩强烈变形，然后又趋向稳定。,（3）厚煤层主要巷道的布置方式20世纪50年代至60年代初期，我国一些开采厚煤层的矿井，曾采用在厚煤层内布置区段集中巷，上、下山甚至大巷，一般沿底板掘进，两侧留保护煤柱，对于分层开采的厚煤层，巷道要经受多次采动影响。巷道受到采动影响后，围岩变形强烈、破坏严重，还可能引起煤层自然发火。,自60年代起，许多矿井改变这种巷道布置方式，代之以底板岩层巷道，以及各分层分掘分采的布置方式，为矿井安全和正常生产创造了良好条件。但是岩巷工程量大、施工期长，系统复杂，与现代化矿井高产、高效、高速的综合机械化采煤的发展不相适应。目前，随着开采技术和巷道维护技术的进步，我国一些开采厚煤层的矿井重新开始在厚煤层内布置上、下山甚至大巷，这标志厚煤层巷道布置的重要改革，对矿井生产建设将会产生重大影响。,7.2.4上、下山的位置和矿压显现规律（1）上、下山巷道的位置开采薄及中厚煤层的单一煤层时，适用于布置煤层上、下山，用煤柱保护。位于底板岩层或邻近煤层内的上、下山，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。跨越方式，左翼工作面先回采到上、下山附近处停采，然后右翼工作面跨越上、下山回采到左翼工作面停采线附近处停采，保留停采煤柱。④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。跨越方式，右翼工作面在左翼工作面还远离上、下山时就跨越上、下山。,随着综合机械化采煤的发展，不少矿井采用跨越底板岩层内多组上、下山连贯回采，不留停采煤柱，使综采工作面连贯推进长度达到20003000m。布置在底板的上、下山，上部煤层工作面跨采期间，如果留有区段保护煤柱，位于区段交接部位的上、下山上部会形成两侧采空，或三侧采空的区段煤柱。上部工作面跨采过后，上、下山不仅没有处于采空区的应力降低区内，反而要长期受区段煤柱上高度集中的支承压力的影响。因此底板上、下山上部煤层工作面跨采时，不宜保留区段保护煤柱。,2上、下山巷道矿压显现规律①第一、二种上、下山的围岩变形将经历掘巷期间明显变形，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接续变形这六个时期。各个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。,②第三种上、下山巷道围岩变形在掘巷期间，掘巷影响趋向稳定期间，一翼采动影响期间上、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。,③第四种上、下山巷道的围岩变形只经过掘巷期间明显变形，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。,7.2.5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。因此，在距开采空间合理距离范围内，巷道应布置在相对稳定的岩层中。本煤层巷道与开采空间在同一层面内，它的位置参数是巷道与采人区边缘的距离，即保护煤柱的宽度。底板巷道与开采空间不在同一层面内，它的位置参数是巷道与上部煤层之间的垂直距离z，巷道与上部煤柱体边缘之间的水平距离x,煤柱的合理宽度B。,（1）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。Uaz-b式中a,b-取决于上部煤层采动状况、围岩性质、开采深度等因素。,现场实测表明在巷道围岩性质、开采深度、上部煤层采动状况和巷道至上部煤层之间的垂距等相同条件下，巷道与上部煤柱体边缘之间的水平距离x决定着上部煤层跨采后，巷道是位于采空区下方的应力降低区内，还是处于上部煤柱引起的应力增高区内。巷道围岩变形速度与上部两侧已采煤柱水平距离实测关系曲线见图7-18，巷道围岩变形速度与上部一侧已采煤体边缘水平距离实测关系曲线见图7-19。,（2）巷道位置参数的选择①底板岩层中应力分布区域底板巷道矿压显现表明，底板中除铅直应力外，剪应力、水平应力也是影响巷道矿压显现的重要因素。依据数值计算、相似模拟试验和现场实测等多方面分析研究，在煤体与采空区交界地区，采动引起的底板岩层应力分为以下区域图7-20原岩应力区、应力集中区、剪切滑移区、卸压区、应力恢复区、拉伸破裂区。卸压区中拉伸破裂和剪切滑移区以下区域应当是布置底板巷道的理想区域。,②巷道稳定性指数在影响巷道稳定的诸多因素中，最重要的是围岩应力、围岩强度以及二者相互关系。在实际应用中定义巷道开掘前所处位置的最大主应力与巷道围岩岩石单向抗压强度的比值为巷道稳定性指数。从大量观测数据中得出的巷道稳定性指数与巷道稳定程度的关系见表7-4。因此，巷道稳定指数可以作为确定巷道位置参数的依据。,③计算底板巷道位置参数依据巷道需求的稳定程度和巷道实际围岩强度，确定巷道所在的最大主应力允许值的范围。计算在不同开采深度条件下，巷道的位置参数。上部煤层跨越底板巷道回采时，一般情况下巷道应采取临时加强支护措施。上部煤层跨采过后，为了确保巷道获得卸压效果，需要综合考虑巷道与上部煤层之间的垂直距离z，以及巷道与上部煤体边缘之间的水平距离x图7-21。巷道与上部煤层之间的垂直距离，应尽可能选择在距煤层不小于表7-5所规定距离的较坚硬的岩层内，但通常不超过50m。已知巷道与上部煤层之间垂直距离情况下，巷道与上部煤体边缘之间合理水平距离见表7-6所列。,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。图中γ、β、δ为岩层移动角，x0为巷道一侧保护带宽度，一般不小于20m。前苏联煤矿巷道布置规程中规定布置在尚未开采的煤层顶部，要经历下部煤层开采影响的顶板巷道，z值不小于回采工作面顶板裂隙带的高度，用全部垮落法时，z值不小于12倍采高。巷道与下部煤体边缘之水平距离xz2L,且x大于50m,L为下部煤层工作面周期来压步距图7-23。,7.2.6综放面回采巷道矿压显现的特点（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，导致综放整层实体煤回采巷道矿压显现与综采分层实体煤回采巷道有较大差异，一般情况下综放巷道与综采巷道各项矿压显现指标参数均高于综采分层巷道。以兖州兴隆庄煤矿综放面为例，综放整层与综采分层实体煤巷道相比，超前明显影响区扩大422m,移近速度平均值增大2倍以上。,（2）沿空掘进巷道①综放沿空巷道与实体煤巷道矿压显现对比分析对于中等稳定围岩综放沿空掘巷，超前90m左右就出现采动影响，明显变形出现在工作面前方35m左右，分别比实体煤巷道增大510倍，两帮相对移近量增大10倍以上。回采影响期间巷道围岩移近量与掘巷影响期间相比较，沿空巷道前者是后者的510倍；实体煤巷道前者是后者的1.21.5倍。实体煤巷道的顶、底板及两帮变形大体相近；沿空巷道两帮移近量大于顶底移近量，前者是后者的2倍左右。,②综放沿空巷道与综采上分层沿空巷道矿压显现对比分析以兖州兴隆庄煤矿综采放顶煤工作面为例，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；支承应力高峰区基本保持不变。顶底板平均移近量增加100400mm，顶底板平均移近速度增加12mm/d。综放与综采二分层、三分层沿空巷道相比较，由于分层巷道煤层反复受到支承压力作用，超前压力影响范围有所增大，顶底板移近量增加100300mm,移近速度平均值增大1.5倍以上。,7.3巷道围岩控制原理降低巷道围岩应力，提高围岩稳定性以及合理选择支护是巷道围岩控制的基本途径。回采引起的支承压力不仅数倍于原岩应力，而且影响范围大。巷道受到回采影响后，围岩应力、围岩变形会成倍、甚至近十倍急剧增长。因此，巷道围岩控制手段的实质是如何利用煤层开采引起采场周围岩体应力重新分布的规律，正确选择巷道布置和护巷方法。使巷道位于应力降低区内，从而减轻或避免回采引起的支承压力的强烈影响，控制围岩压力。,7.3.1巷道围岩压力及影响因素1围岩压力采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分布，使巷道周边岩体自稳能力显著降低，导致向巷道空间移动。为了防止围岩变形和破坏，需要对围岩进行支护。这种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，围岩压力可分为以下四种类型,①松动围岩压力由于巷道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力，表现为松动围岩压力载荷形式。如支护不能有效地控制围岩变形的发展，围岩形成松动垮塌圈时，将导致松动围岩压力出现，通常顶压显现严重。,②变形围岩压力支护能控制围岩变形的发展时，围岩位移挤压支架而产生的压力，称为变形围岩压力，简称变形压力。在“围岩-支护”力学体系中，只要围岩与支架相互作用，围岩就会对支架施加变形压力。弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力，弹性变形产生速度极快，变形量很小，对于围岩、支护相互作用过程而言，实际意义不大。,塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂，围岩向巷道空间位移，使支护结构受到的压力，是变形围岩压力的主要形式。塑性变形的大小主要取决于巷道塑性区和破裂区的范围。塑性区的扩展具有明显的时间效应，塑性区不再扩展时，围岩变形速度下降，而逐渐稳定并趋于流变。,③膨胀围岩压力围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力，称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的。从现象上看，属于变形压力范畴，但两者的变形机制截然不同，前者是指与水发生物理化学反应，后者主要是围岩应力与结构效应。,④冲击和撞击围岩压力冲击围岩压力指围岩积累了大量弹性能之后，突然释放出来所产生的压力，撞击围岩压力是回采工作面上覆岩岩层剧烈运动时对巷道支护体所产生的压力。,2影响围岩压力的主要因素影响围岩压力的因素基本上可分为开采技术因素和地质因素两大类。开采技术因素中，影响最大的是回采工作状况，即巷道与回采工作面相对空间、时间关系。例如，巷道是处于一侧、两侧或邻近煤层采动影响条件下，是受一次还是受多次采动影响，采动影响已经稳定还是正在采动过程中。其次是巷道保护方法，例如，巷道支护方式、巷道断面形状和大小、巷道掘进方法、巷道基本支护类型和参数等。地质因素主要有原岩应力状态、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等。,7.3.2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。,需要强调指出，受到采动影响的巷道，巷道围岩岩体结构、赋存条件在很大程度上受到回采工作的制约。因此，巷道围岩控制的效果，极大程度上取决于对回采活动影响巷道的认识，对巷道围岩岩体力学模型、变形及破坏机制判断的正确性，以及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。,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保护及支护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，将本该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。,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。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。,7.3.3巷道围岩稳定性分类及支护选择1巷道围岩稳定性分类的意义地下工程是复杂的结构物。目前，设计地下工程结构及支护方法的理论尚未发展到能比较精确地解决所有问题的程度。其设计理论和计算方法都不够完善，巷道支护设计仍采用工程类比法或半理论半经验的方法，在工程设计和决策中，工程技术人员的工程判断能力和实践经验仍起重要作用。,与一般的地下工程相比较，影响巷道围岩稳定的因素更为复杂，巷道支护设计不得不更多地依赖巷道围岩稳定性分类系统，为巷道支护设计、施工、管理提供科学依据。近年来，人们对岩体属性和破坏机制的认识不断深化，随着多变量数理统计的、分析的广泛应用，模糊数学、灰色系统理论、人工神经网络理论的迅速发展，巷道围岩稳定性分类也远远超出简单的工程类比的范畴。,2巷道围岩稳定性分类方法目前国内外常见的工程岩体分类多采用多指标综合分析方法即“加法评分法”，对事物按一定要求进行分类的数学方法叫做聚类分析。巷道围岩的稳定性受多种因素的影响。在采矿学科领域内，很多事物间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，其步骤为,①根据对影响巷道围岩稳定性主要因素的分析，按科学性和适用性的原则，选定分类指标。②用模糊聚类分析方法对样本巷道分类指标实测数据分析、处理、聚类，根据分类结果确定各指标的聚类中心，建立巷道围岩稳定性类别模式。③按照模式识别原则，采用模糊综合评判方法预测待分类巷道的围岩稳定性类别，并预算巷道围岩移近量，作为选择支护形式、确定支护参数的依据。,3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。其中属于围岩强度方面的有巷道顶板岩石单向抗压强度σ顶，煤层单向抗压强度σ煤，巷道底板岩石单向抗压强度σ底，围岩岩体完整性指数D用直接顶初次垮落步距替代；属于围岩应力方面的有巷道埋深H，本区段采动影响指标N，相邻区段采动影响指标X，本区段采动影响指标N等于采面直接顶板厚度除以煤层采高，相邻区段采动影响指标X用护巷煤柱实际宽度表示。回采巷道围岩稳定性分成5个类别。,4巷道围岩移近量预算巷道围岩移近量是反映巷道围岩稳定性的客观标准，是巷道支护形式选择和计算支护参数的依据。主要计算方法有解析分析方法、数值分析方法、回归分析方法、概率分析方法和模糊分析方法。通常根据巷道埋深H和巷道顶底板岩层平均单向抗压强度RC利用图7-24计算巷道预期围岩移近量uz。,uzu0u1u1,2u2式中u0-无采动影响阶段巷道顶底板移近量；u1-受本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