8.矿山压力及其控制（第八章）.ppt

第八章巷道维护原理和支护技术,8.1无煤柱护巷8.1.1护巷煤柱的稳定性留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷闭开固定支承压力峰值区（图8-1）。,区段平巷双巷掘进和使用，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有力。但是，媒柱损失高达10％～30；且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。煤柱支承压力向底板传播，不仅影响临近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤柱宽一般为10～30m。,1.煤柱的荷载（1）煤柱荷载的估算目前国内外研究都认为，护巷煤柱上的荷载，是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的。,如图8-2所示，一单位煤住长度上的总载荷P为式中,煤柱单位面积的平均载荷即平均应力上述计算尽管经过简化，以平面问题代替空间问题，以均质的上覆岩层取代复杂的岩层赋存状况，不考虑煤住边缘部分会产生应力集中以及由于煤住边缘部分破坏引起应力向煤柱深部转移，未涉及上覆岩层的移动等。,但迄今它仍为比较简单和实用的煤住载荷估算方法，并认为平均应是判断煤柱载荷的重要参数。（2）煤柱宽度的理论计算护巷煤柱宽度的理论计算有按煤柱的允许应力，煤柱能承受的极限载荷，以及按煤柱应力分布等多种方法。各种方法的基本点都认为煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷σy不超过人它的极限强度R。,煤柱的极限强度见7－5、7－6式，煤柱的宽度B计算式,2.煤柱的应力分布（1）一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及铅直应力的分布假设采空区周围的煤柱（体）处于弹塑性变形状态，煤柱的铅直应力σy的分布如图8-3中1所示。σy随着与采空去边缘之间距离x的增大，按负指数曲线关系衰减。在高应力作用下，从煤体（煤柱）边缘到深部，都会出现塑性区（靠采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区）、弹性区及原岩应力区（图8-3）。弹塑性变形状态下，煤柱（体）的铅直应力σy的分布如图8-3中2所示。,煤柱（体）的承载能力，随着远离煤体（煤柱）边缘而明显增长。在距煤体（煤柱）边缘一定宽度内，存在着煤柱（体）的承载能力与支承压力处于极限平衡状态，运用岩体的极限平衡理论，塑性区的宽度，即支承压力峰值与煤体（煤柱）边缘之间的距离x0为,式中,在生产实际中，x0的变化范围为320m，一般为512m。应力降低区宽度的变化范围为27m,一般为35m。（2）两侧采空煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布两侧均以采空的煤柱，其应力分布状态主要取决于回采引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B，主要有三种类型①B2L时（图8-4），煤柱中央的载荷为均匀分布，且为原岩应力γH。由于煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般仍为破裂区、塑性区、弹性区，以及原岩应力区。,②2LBL时，在煤柱中央由于支承压力的叠加，应力大于γH，沿煤柱宽度方向应力呈马鞍形分布，弹塑性变形区及应力分布见图8-5。③B70的浆体称为高水材料,高水材料流动性好,可以长距离水力输送。,水体积比1000m，充填点用塑料充填袋储集混合后的料浆，料浆凝固形成整体充填体。对于高水灰渣材料，可以采用活动钢模板替代塑料充填袋，活动钢模板反复交替使用。采用喷浆机风力充填时，系统简单并可随工作面推进而移动，输送水平距离不宜超过200m。,8.2巷道围岩卸压,长期以来，煤矿中进行巷道维护得主要手段是对巷道进行支护和对围岩进行加固。但在某些困难条件下，即使对巷道进行加强支护和加固围岩，巷道维护仍然很困难。如果采用人为方法改变巷道围岩应力分布特征，巷道掘进或受到采动影响时，在巷道周边形成的应力峰值向远离航道周边的围岩深部转移，使巷道处于应力降低区内，可以收到明显改善巷道维护的效果。,8.2.1跨巷回采进行巷道卸压1.跨巷回采卸压的机理煤层开采以后，在煤层底板中形成一定范围的应力增高区和应力降低区（图7-6）。位于煤层底板的巷道，若处于应力增高区，将承受较大的集中应力而破坏；处于应力降低区，则易于维护。,根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可在巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置，即巷道与上部回采煤层间的法向距离z，巷道与上部回采煤层煤柱（体）边缘的水平距离x。,2.跨巷回采的应用及矿压显现规律跨巷回采有两种方式，即纵跨与横跨。以走向长壁工作面为例，跨越大巷和区段集中平巷时，跨采面掘进方向与被跨采巷道轴向平行称为纵跨。跨跃上、下山和采区石门时，跨采面掘进方向与被跨采巷道轴向垂直称为横跨。,跨巷回采期间，巷道将顺次受到跨采面的超前支承压力和上覆岩层跨落的影响，剧烈影响范围和程度与开采深度、围岩的力学性质及巷道与开采煤层的法向距离有关。只要与采空区煤壁边缘的水平距离适当，跨采后巷道可长期处于应力降低区。,（1）采面纵跨岩石集中平巷采面纵跨岩石集中平行，其中测站1位于跨采面采空区下方，z9.5m，x8m；测站2位于跨采面采空区一侧煤柱边缘的正下方，z9.5m，x0m。工作面跨采前，测站1与2处巷道变形特征相差不大；跨采期间，测站2巷道围岩变形量比测站1大3倍；跨采后围岩变形趋于稳定时，测站2巷道围岩变形速度比测站1大1倍左右。,（2）采面横跨石门采面横跨石门，石门中测站1，z30m，x60m；测站2，z35m，x28m。测站2与测站1相比，由于距上部煤层采空区上区段隔离煤柱水平距离较短，受煤柱传递的支承压力的影响要大。因此，在未受到本区段跨采工作面的采动影响时，巷道的围岩变形速度比测站1稍高；跨采时受到册向支承压力和超前支承压力的叠加影响作用，引起的围岩变形量比测站1大2倍。,（3）工作面跨越上山回采工作面跨越上山回采时，是否保留区段煤柱及跨越上山回采的顺序不同，对上山巷道的矿山压力显现影响极大。常见的跨越上山回采方式有以下几种①上山一侧的采面，在另一侧的采面距上山较远时就跨越上山，下区段工作面回采时将区段间保留煤柱全部回收。,②跨采方法同上，但区段间保留煤柱。③一侧采面先采至上山煤柱处停采，然后另一侧采面再跨越上山回采，保留区段煤柱。上述三种跨采方式情况下，被跨上山围岩变形量与距区段煤柱距离的关系曲线分别如图8-1中曲线1、2、3所示。两翼工作面均不跨越上山，保留较宽的上山保护煤柱时，围岩变形量变化不大，如图中虚线4所示。,8.2.2巷道围岩开槽卸压及松动卸压1.巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响在岩体中开掘巷道后，在地应力较高，围岩较松软的情况下，围岩破坏的范围较大。导致集中应力向未遭到破坏的围岩深部转移，在巷道周边的围岩中形成应力降低区。,这种方式的卸压过程是以巷道周边岩体的完整结构被破坏为代价的，在卸压的同时巷道围岩的塑性变形区范围以及该区内遭破坏岩体的塑性变形、扩容膨胀变形明显增大。而塑性变形区的范围及变形量的大小正是巷道维护难易的关键，能否使巷道周边的集中应力向围岩深部转移，在巷道周边形成卸压，又不扩大巷道周边塑性变形区的范围，不使其产生较大的变形研究表明在巷道周边开槽或钻孔可同时起到卸压和限制围岩变形的目的。,采用边界元法对巷道周边切缝前后围岩中的应力分布进行数值计算分析。在圆形巷道侧压系数λ0.5条件下，巷道周边不切缝、两帮切缝、顶底切缝、顶底及两帮同时切缝四种情况，巷道周边切向应力分布计算结果如图8-17所示。切缝部位周边围岩中切向应力显著降低，巷道其他部位的切向应力也有一定程度的降低。,巷道周边围岩开槽卸压的力学原理，是使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移。深部岩体处于三向应力状态，具有较高的强度。在应力增高区内岩体得以保持稳定。另一方面，结构和完整性并未遭到完全破坏的卸压区内的围岩，仍然存在一定的残余强度，并向岩体自承结构提供侧向约束力，增加岩体自承结构的强度和稳定性，从而使围岩的整体性得到显著提高。,2.巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用在实际工程中，由于目前尚无合适的开槽工具，常用成排的大直径钻孔来替代。钻孔卸压的机理与开槽卸压基本相同，钻孔卸压的效果主要取决于孔径、孔距、孔深等参数。一般情况下，钻孔直径150～350mm，钻孔间距为钻孔直径的1.5～1.7倍，孔深6～10m。卸压应尽可能紧跟掘进工作面，滞后距离一般不宜超过5～10m；或者超前采面，削弱采面超前支承压力的影响，现场试验结果如图8-18所示。,在巷道围岩中开槽，不仅使支承压力峰值向巷道围岩深部转移，巷道处于应力降低区；在巷道围岩中开槽，不仅使支承压力峰值向巷道围岩深部转移，巷道处于应力降低区；卸压槽（缝）还为巷道围岩变形提供了补偿空间，从而使巷道围岩变形量减小。通常采用垂直切槽防治底鼓，卸压效果主要取决于卸压槽的宽度b、深度h，对于中硬岩层，槽宽b200～300mm。,德国埃森采矿研究中心对巷道底板的切槽深度与底板稳定性的关系进行了研究（图8-19）。当切槽深度h小于行帮到切槽的间距a时，可将开槽后的底板视作从卸载槽下方受到横向荷载p作用的岩石悬梁，承受弯曲应力的作用（图8-19a）。,由于这种受载条件下岩梁的抗弯强度很小，即使p值不大也可使底板向上翘曲，甚至向上破断。当切槽深度h大于行帮到切槽的间距a时，相当于短梁受载的情况（图8-19（b））,此时开槽后形成的岩块不承受弯曲载荷，而承受剪切载荷。由于岩层的抗剪强度远大于承受弯曲时的抗拉强度，开槽后底板岩层具有较大的稳定性。,3.巷道围岩松动爆破卸压法的应用在巷道掘进过程中，要在巷道周边围岩中形成密度很大、间距规整的成排卸压钻孔是很困难的。目前实际应用中，主要利用钻孔孔底药壶爆破方法进行限制性爆破，在围岩中形成一个连续的松散、破碎带，将支承压力峰值转移到围岩深部。,同时，已经松散、破碎的围岩体具有缓冲垫层作用。确定松动爆破技术参数应以不破坏巷道与松散、破碎带之间的围岩完整性和支架稳定性为原则。钻孔松动爆破卸压技术已在国内外煤矿进行了大量实践，取得了较好的效果。图8-20为我国卢岭煤矿采用钻孔松动爆破卸压的钻孔布置。,国外一些研究认为，钻孔松动爆破虽可起到卸压作用，但仅靠松动爆破并不能有效地减少围岩的收敛变形。其理由主要是松动爆破在岩体中形成大量裂隙，使作用在巷道周边岩体上的支承压力峰值转移到围岩深部。但转移到深部岩体上的集中应力仍可迫使深部岩体向巷道内挤出，而已遭松动破坏的巷道周边岩体对于这种挤出变形只有很小的甚至没有任何阻抗作用。,松动爆破相当于增加了巷道破碎圈的深度，不仅不会使巷道收敛量减少，反倒使其增加。只有当岩性较硬，松动爆破后使岩体产生楔形岩块之间的锁固力能在整体上形成较大的“支护阻力”时，才会使巷道收敛量减少。,因此，单纯依靠松动爆破卸压，一般效果并不理想，如将松动爆破卸压与松动爆圈的围岩加固结合起来，则可以取得很好的巷道维护效果，加固的方法可采用水泥注浆、化学注浆、锚喷支护、支架支护等。松动爆破卸压加固的方法已在我国煤矿中获得广泛应用，现场观测表明，卸压注浆方法可使巷道底板的移近量平均减少90％，松动爆破与打封混凝土反拱联合控制巷道底鼓也取得了同样的效果。,俄罗斯煤炭工业部巷道棚式可缩性金属支架支护规程规定的钻孔、开槽、药壶爆破、先松动爆破卸载后注浆加固、补偿带卸载等卸压措施的合理使用范围列于表8-2。当围岩强度小于表中规定的数值时，卸压措施不能保证取得应有效果；围岩强度大于表中规定的数值时，则技术经济不合理。,8.2.3利用卸压巷硐进行巷道卸压利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。,1.在巷道一侧布置卸压巷硐当巷道一侧受到采动影响时，靠近采空区一侧的煤柱及巷道因受到集中应力的影响而产生强烈变形和破坏。如在护巷煤柱中与巷道间隔一段距离掘一条卸压巷道，形成的窄煤柱称为让压煤柱，宽煤柱称为承载煤柱，巷道周围的应力分布将发生如图8-21所表示的变化。,高集中应力作用于远离巷道的承载煤柱，仅有很少的一部分应力作用在巷道周边的让压煤柱上，巷道实际上已处于应力降低区内。同时，承载煤柱在高应力作用下产生的大量变形也被卸压巷道的空间所吸收，可使被保护巷道的变形量减少70％～90％。,2.在巷道顶部布置卸压巷硐巷道顶部的卸压巷硐布置在被保护巷道与上部开采煤层之间，使被保护巷道避开上部煤层跨采时产生的剧烈影响，处于卸压巷硐形成的应力降低区内。在巷道顶部布置卸压巷硐时，卸压巷硐的宽度L及其被保护巷道的垂距h是影响卸压效果的主要参数。,一般情况下，卸压巷硐与被保护巷道之间的垂距应小于卸压巷硐底板破坏深度与至少2m的安全岩柱之和。依据卸压巷硐与被保护巷道间的垂距和支承压力传递影响角，卸压巷硐的宽度应确保被保护巷道在其形成的应力降低区内。兖州鲍店煤矿煤层距胶带输送机大巷20～60m，在胶带输送机硐室顶部布置卸压硐室（图8-22）。,在卸压巷道2内向两侧松动爆破后形成19m宽的卸压带，将胶带输送机硐室笼罩在卸压带下方形成的应力降低区内。现场观测结果表明，卸压后胶带输送机硐室围岩顶底、两帮相对移近量分别是相邻未卸压大巷的1/2和1/7。淮南新集煤矿10m厚煤层综放工作面沿空掘进风巷，沿煤层顶板布置卸压煤巷，卸压巷道位于回风平巷上方煤体中，卸压巷道两帮实施松动爆破，形成14m宽的卸压带（图8-23），卸压后与未经过卸压的巷道围岩变形速度和变形量对比见表8-3。,3.宽面掘巷卸压宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把巷道两侧6～8m宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的空间，在煤帮与矸石充填体、矸石充填体与巷道之间分别留有1m和1～0.5m宽的空隙（图8-24）。巷道掘进出后，周边产生的集中应力转移到离巷道较远的煤帮，巷道位于应力降低区；煤帮与矸石充填体之间的空隙，作为煤体变形的补偿空间，对维护巷道稳定有很好效果。,8.2.4掘前预采的应用掘前预采是底板巷道尚未开掘之前，在预定掘巷位置上方的煤层中，先布置工作面进行回采。待开采引起的岩层移动稳定以后，在采空区下部底板岩层中开掘巷道（图8-25），巷道不仅应与煤层底板保持一定的垂距z，而且与上部工作面煤体边缘也应保持一定的水平距离x。,掘前预采与跨越回采相比，改变了巷道的应力基础环境，巷道从掘进开始在整个服务期间一直处于预采工作面所形成的应力降低区内，完全避免了开采影响。因此，掘前预采是效果最理想的卸压方法。掘前预采卸压技术在前苏联煤矿曾用于生产我国个别矿区也进行过工业性试验。掘前预采的实践表明此项卸压技术可使巷道围岩变形量减小4/5～5/6。前苏联煤矿曾在采空区内掘进和维护巷道也取得了令人满意的效果。,