七章 礦山壓力與巖層控制

1、2021-12-141礦山壓力與巖層控制7 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.1 巷道圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律 7.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 7.3 巷道圍巖控制原理 7.4 本章小結(jié)2021-12-1427.1 巷道圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律7.1.1 受采動影響巷道的圍巖應(yīng)力（1）原巖體內(nèi)掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力 巷道開掘后原巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖仍處于彈性狀態(tài)，圍巖應(yīng)力可用彈性力學(xué)方法按平面應(yīng)變問題計(jì)算。雙向等壓原巖應(yīng)力場內(nèi)圓形巷道圍巖應(yīng)力分布如圖7-1所示。 2021-12-143 圖7-1 圓形巷道圍巖彈性變形應(yīng)力分布 2021-12-144 如果圍巖應(yīng)力大于

2、巖體強(qiáng)度，巷道圍巖會產(chǎn)生塑性變形，從巷道周邊向圍巖深處擴(kuò)展到一定范圍，出現(xiàn)塑性變形區(qū)，為彈塑性介質(zhì)，巷道圍巖應(yīng)力分布如圖7-2所示。 在塑性區(qū)內(nèi)圈（A）圍巖強(qiáng)度明顯削弱，低于原始應(yīng)力H，圍巖發(fā)生破裂和位移稱為破裂區(qū)，也叫卸載和應(yīng)力降低區(qū)。 塑性區(qū)外圈（B）的應(yīng)力高于原始應(yīng)力，它與彈性區(qū)內(nèi)應(yīng)力增高部分均為承載區(qū)，也稱應(yīng)力增高區(qū)。 再向圍巖深部即為處于穩(wěn)定狀態(tài)的原始應(yīng)力區(qū)。2021-12-145 圖7-2 圓形巷道圍巖塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布 A破裂區(qū)；B塑性區(qū)； C彈性區(qū)；D原始應(yīng)力區(qū)2021-12-146 巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層原巖應(yīng)力P，反映巖石強(qiáng)度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角和粘聚力C等。它們

3、之間的關(guān)系為： 巷道的周邊位移u隨巷道所在位置原巖應(yīng)力的增大，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系迅速增長；指數(shù)的大小取決于的變化，值越小，指數(shù)越大，u值增長愈迅速。 巷道的塑性區(qū)半徑R和周邊位移u隨內(nèi)摩擦角和粘聚力C的減小，即圍巖強(qiáng)度降低，顯著增大。 2021-12-147（2）回采工作面周圍支承壓力分布 煤層開采過程破壞原巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。對于受到采動影響的巷道，它的維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響以外，主要取決于采動影響。煤層開采以后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶（圖7-3）。 2021-12-148 圖 7-3 采空區(qū)應(yīng)力重新分布

4、概貌 1工作面前方超前支承壓力 2、3工作面傾斜、仰斜方向殘余支承壓力 4工作面后方采空區(qū)支承壓力2021-12-149 支承壓力的顯現(xiàn)特征通過支承壓力分布范圍、分布形式和應(yīng)力峰值表示。 應(yīng)力增高系數(shù)K是支承壓力峰值與原巖鉛直應(yīng)力的比值。 支承壓力分布參數(shù)有：煤體邊緣的破裂區(qū)寬度，塑性區(qū)寬度（支承壓力峰值距離）x0，支承壓力的影響距離x1。 目前，上述參數(shù)主要由現(xiàn)場實(shí)測取得。2021-12-1410 工作面超前支承壓力峰值位置距煤壁一般為48m，相當(dāng)于23.5倍回采高度。影響范圍為4060m，少數(shù)可達(dá)6080m，應(yīng)力增高系數(shù)為2.53。 工作面傾斜方向固定性支承壓力影響范圍一般為1530 m，

5、少數(shù)可達(dá)3540 m，支承壓力峰值位置距煤壁一般為1520m，應(yīng)力增高系數(shù)為23。 采空區(qū)支承壓力應(yīng)力增高系數(shù)通常小于1，個別情況下達(dá)到1.3。 2021-12-1411 相鄰的采空區(qū)所形成的支承壓力會在某些地點(diǎn)發(fā)生相互疊加，稱為疊合支承壓力。例如，在上下區(qū)段之間，上區(qū)段采空區(qū)形成的殘余支承壓力與下區(qū)段工作面超前支承壓力疊加，在煤層向采空區(qū)凸出的拐角，形成很高的疊合支承壓力，應(yīng)力增高系數(shù)可達(dá)57，有時甚至更高(圖7-4)。 2021-12-1412 圖7-4 煤層凸出角處疊加支承壓力 2021-12-14132021-12-14142021-12-1415（3）采動引起的底板巖層應(yīng)力分布 煤層

6、開采引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，不僅在回采空間周圍煤體（柱）上造成應(yīng)力集中，還會向底板深部傳遞，在底板巖層一定范圍內(nèi)重新分布應(yīng)力，成為影響底板巷道布置和維護(hù)的重要因素。2021-12-1416 沿工作面推進(jìn)方向或沿工作面傾斜方向取縱向剖面，煤層底板巖層仍然相當(dāng)于一個半無限體。按平面應(yīng)變問題處理，計(jì)算覆巖在煤體上和已壓實(shí)的冒落矸石上的支承壓力引起的底板巖層應(yīng)力，其最大主應(yīng)力max的應(yīng)力增高系數(shù)等值線分布見圖7-5。 圖7-5 a表示上部煤層單側(cè)采動引起底板巖層內(nèi)應(yīng)力分布，圖7-5 b表示上部煤層兩側(cè)采動遺留保護(hù)煤柱引起底板巖層內(nèi)應(yīng)力分布。2021-12-1417 如圖所示，除了在煤柱下方底

7、板巖層一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力增高區(qū)外，位于煤柱附近的采空區(qū)下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)。 伴生出水平方向的壓縮和膨脹，出現(xiàn)水平應(yīng)力升高區(qū)和卸壓區(qū)。采空區(qū)下方底板淺部卸壓甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，巖層強(qiáng)度已大為減弱。位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的底板巷道，與上部采空區(qū)及煤柱邊緣之間應(yīng)保持一定距離。2021-12-1418 (a) (b)圖7-5 遺留保護(hù)煤柱引起底板巖層內(nèi)應(yīng)力分布a 上部煤層一側(cè)采動 b 上部煤層兩側(cè)采動2021-12-14197.1.2 相鄰巷道的應(yīng)力分布及巷道間距的確定（1）巷道圍巖應(yīng)力影響帶 巷道開掘以后，巷道周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布。巷道圍巖應(yīng)力受擾亂的區(qū)域稱為影響帶，一般以超過原巖應(yīng)力值

8、的5作為影響帶的邊界。 如果相鄰巷道的應(yīng)力影響帶彼此不重疊，可以忽略巷道間的相互影響。 如果相鄰巷道的應(yīng)力影響帶彼此重疊，但沒有到達(dá)相鄰巷道，可進(jìn)行巷道圍巖應(yīng)力值的疊加。 2021-12-1420 在靜水壓應(yīng)力場中，彈性變形巷道的應(yīng)力影響區(qū)域形狀為半徑等于6r的圓（r為巷道斷面半徑）。在非靜水壓應(yīng)力場中，巷道的應(yīng)力影響區(qū)域形狀不再是圓形，一般為長軸不大于12r的橢圓。 因此，斷面相同兩圓形巷道的間距D為 6rD12r 半徑不同兩圓形巷道的間距D為 6RD6（rR） 如果巷道周邊形成塑性變形區(qū)，相鄰巷道的應(yīng)力影響帶不宜超過塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)的交界面。2021-12-1421（2）巷間巖柱的穩(wěn)

9、定性 巖柱的穩(wěn)定性主要取決于巖柱的載荷和巖柱強(qiáng)度。當(dāng)巖柱所承受的載荷超過巖柱的承載能力時，巖柱是不穩(wěn)定的。 巖柱的強(qiáng)度主要由組成巖柱的巖體強(qiáng)度、巖柱的寬度和高度及總的構(gòu)造特征決定。已為大量現(xiàn)場資料所驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)公式有Obert-Dwvall/Wang(1967)和Bieniawski(1968)公式： 2021-12-1422式中 R巖柱強(qiáng)度，MPa； RC 原位臨界立方體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa B巖柱寬度，m； h巖柱高度，m。 RC1臨界尺寸巖柱的強(qiáng)度，MPa。2021-12-1423（3）相鄰巷道間合理距離 我國煤礦目前采深條件下，大巷間的距離以2040m為宜，圍巖較穩(wěn)定時取小值，不穩(wěn)定時取

10、大值；在淺部和堅(jiān)硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，大巷間距可減小至10m；在深部和松軟圍巖條件下，大巷間距可增大至50m。 上下山及集中巷間距以1530m為宜，圍巖較穩(wěn)定時取小值，不穩(wěn)定時取大值；在淺部和堅(jiān)硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，上述距離可減小到10m，在深部和松軟圍巖以及厚煤層內(nèi)，間距應(yīng)擴(kuò)大到4050m。2021-12-1424 表7-2 巷道相互影響系數(shù) 前蘇聯(lián)煤礦巷道合理布置保護(hù)和支護(hù)規(guī)程規(guī)定： D（a1a2）K1 a 1a2相互影響的巷道總寬度，m K1巷道相互影響系數(shù)2021-12-14257.1.3 構(gòu)造應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響（1） 構(gòu)造應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力的基本特點(diǎn)是以水平應(yīng)力為主，

11、具有明顯的方向性和區(qū)域性。 (2） 水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響 水平應(yīng)力是影響巷道頂板冒落、底板臌起、兩幫內(nèi)擠的主要因素。頂板巖層在水平應(yīng)力作用下可能出現(xiàn)兩種破壞形式： 一是薄層頁巖類巖層沿層面滑移， 二是厚層的砂巖類巖層以小角度或沿小斷層產(chǎn)生剪切，頂板失穩(wěn)冒落。 2021-12-1426水平應(yīng)力作用 下頂板的破壞 a- 薄層頁巖頂板 b-厚層砂巖頂板2021-12-1427水平應(yīng)力作用下巷道底鼓2021-12-1428水平應(yīng)力作用下巷道兩幫破裂 2021-12-1429（3）合理的巷道布置方向 巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向之間夾角不同，巷道圍巖水平應(yīng)力集中程度有很大差異。因此，在構(gòu)造應(yīng)力影響較強(qiáng)烈

12、的區(qū)域，要重視巷道布置方向，依靠正確調(diào)整巷道方向與構(gòu)造應(yīng)力方向間的關(guān)系，削減構(gòu)造應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。2021-12-1430 圖7-6 巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力成一定角度時 周邊應(yīng)圍巖應(yīng)力計(jì)算簡圖 2021-12-1431 圖7-7 巷道軸向平行、垂直構(gòu)造應(yīng)力條件下， 周邊圍巖應(yīng)力分布 a平行構(gòu)造應(yīng)力； b 垂直構(gòu)造應(yīng)力 2021-12-1432 巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向平行時，構(gòu)造應(yīng)力對巷道的穩(wěn)定性影響最?。?巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直時，影響最大。 構(gòu)造應(yīng)力對巷道穩(wěn)定程度的影響，主要隨角正弦的平方值變化，如果角小于250300時，構(gòu)造應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響無明顯變化。 2021-12-14

13、337.1.4 受采動影響巷道的圍巖變形（1）巷道圍巖變形量的構(gòu)成 巷道圍巖變形量包括巷道頂板下沉量、底板臌起量、巷幫移近量、深部圍巖移近量以及巷道剩余斷面積等。（2） 巷道圍巖變形規(guī)律 采準(zhǔn)巷道從開掘到報(bào)廢，經(jīng)歷采動造成的圍巖應(yīng)力重新分布過程，圍巖變形會持續(xù)增長和變化。以受到相鄰區(qū)段回采影響的工作面回風(fēng)巷為例，圍巖變形要經(jīng)歷五個階段（圖7-8）。 2021-12-1434 圖7-8區(qū)段平巷圍巖變形2021-12-1435巷道掘進(jìn)影響階段 煤體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，在形成塑性區(qū)的過程中，圍巖向巷道空間顯著位移。隨著巷道掘出時間的延長，圍巖變形速度逐漸衰減，趨向緩和。巷道的圍巖變形

14、量主要取決于巷道埋藏深度和圍巖性質(zhì)。(2) 掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段 掘巷引起的圍巖應(yīng)力重新分布趨于穩(wěn)定，由于煤巖一般具有流變性，圍巖變形還會隨時間而緩慢增長，但其變形速度比掘巷初期要小得多。巷道的圍巖變形速度仍取決埋藏深度和圍巖性質(zhì)。2021-12-1436（3） 采動影響階段 巷道受上區(qū)段工作面（A）的回采影響后，在回采引起的超前移動支承壓力作用下，巷道圍巖應(yīng)力再次重新分布，塑性區(qū)顯著擴(kuò)大，圍巖變形急劇增長。 在工作面（A）后方附近，由巷道上方和采空區(qū)一側(cè)頂板彎曲下沉和顯著運(yùn)動使得支承壓力和巷道圍巖變形速度都達(dá)到最大值。巷道圍巖性質(zhì)、護(hù)巷煤柱寬度或巷旁支護(hù)方式、工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)對該時期圍巖變形量

15、影響很大。2021-12-1437（4） 采動影響穩(wěn)定階段 回采引起的應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，巷道圍巖變形速度再一次顯著降低，但仍然高于掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段時變形速度，圍巖變形量按流變規(guī)律不斷緩慢地增長。2021-12-1438（5） 二次采動影響階段 巷道受本區(qū)段回采工作面（B）的回采影響時，由于上區(qū)段殘余支承壓力，本區(qū)段工作面超前支承壓力相互疊加，巷道圍巖應(yīng)力急劇增高，引起圍巖應(yīng)力又一次重新分布，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)力的反復(fù)擾動使圍巖變形比僅受一次采動影響時更加強(qiáng)烈。表7-3 采區(qū)平巷不同礦壓顯現(xiàn)帶內(nèi)頂?shù)装逡平?guī)律2021-12-14397.2 受采動影響巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律7.2.1 巷道位置類

16、型 根據(jù)巷道與回采空間相對位置及采掘時間關(guān)系的不同，巷道位置可以分為以下幾類：（1） 與回采空間在同一層面的巷道稱為本煤層巷道，分析本煤層巷道位置時，僅考慮回采空間周圍煤體上支承壓力的分布規(guī)律，可作為平面問題處理。2021-12-1440（2） 與回采空間不在同一層面，其下方的巷道稱為底板巷道，分析底板巷道位置時，應(yīng)該考慮回采空間周圍底板巖層中應(yīng)力分布規(guī)律，按空間問題處理當(dāng)然，位于回采空間所在層面上方的巷道稱為頂板巷道 。 （3） 厚煤層中、下分層以及相鄰煤層中的煤層巷道，有可能同時受到本分層和上分層以及相鄰煤層采面的采動影響。分析這類巷道位置時，依據(jù)巷道與回采空間位置和采掘時間關(guān)系，綜合考慮

17、回采空間周圍煤體上支承壓力和頂、底板巖層中應(yīng)力的疊加影響。2021-12-14417.2.2 區(qū)段巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律1） 區(qū)段巷道的布置方式 根據(jù)區(qū)段回采的準(zhǔn)備系統(tǒng)，區(qū)段巷道可分成三種布置方式。（1） 位于未經(jīng)采動的煤體內(nèi)，巷道兩側(cè)均為煤體，稱為煤體-煤體巷道(圖7-9) 。 2021-12-1442 圖7-9 區(qū)段巷道布置方式示意圖 a煤柱護(hù)巷；b無煤柱護(hù)巷 2021-12-1443（2） 巷道一側(cè)為煤體，另一側(cè)為保護(hù)煤柱，保護(hù)煤柱一側(cè)的采面采動影響已穩(wěn)定后，掘進(jìn)的巷道稱為煤體-煤柱巷道（采動穩(wěn)定）(圖7-91) ； 與保護(hù)煤柱一側(cè)的采面區(qū)段巷道同時掘出，保護(hù)煤柱一側(cè)的采面回采過程中，

18、掘進(jìn)的巷道稱為煤體-煤柱巷道（正采動）(圖7-91) 。2021-12-1444（3） 巷道一側(cè)為煤體另一側(cè)為采空區(qū),采空區(qū)一側(cè)采動影響已經(jīng)穩(wěn)定后，沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)的巷道稱為煤體-無煤柱（沿空掘進(jìn)）巷道(圖7-92) ； 如果通過加強(qiáng)支護(hù)或采用其它有效方法，將相鄰區(qū)段巷道保留下來，供本區(qū)段工作面回采時使用的巷道，稱為煤體-無煤柱（沿空保留）巷道(圖7-92) 。2021-12-1445綜上所述區(qū)段巷道的布置方式可簡述為： 2021-12-14462） 區(qū)段巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（1） 煤體-煤體巷道服務(wù)期間內(nèi)，圍巖的變形將經(jīng)歷巷道掘進(jìn)影響、掘進(jìn)影響穩(wěn)定和采動影響三個階段。由于巷道在采面后方已經(jīng)廢棄，

19、巷道僅經(jīng)歷采面前方采動影響，圍巖變形量比采動影響階段全過程小得多，一般僅1/3左右。2021-12-1447（2） 煤體-煤柱（采動穩(wěn)定）或沿空掘進(jìn)巷道服務(wù)期間，圍巖的變形同樣經(jīng)歷巷道掘進(jìn)影響、掘進(jìn)影響穩(wěn)定和采動影響三個階段。但是巷道整個服務(wù)期間內(nèi)，始終受相鄰區(qū)段采空區(qū)殘余支承壓力的影響，三個影響階段的圍巖變形均大于煤體-煤體巷道。 2021-12-14483） 煤體-煤柱（正采動）或沿空保留巷道服務(wù)期間，圍巖的變形將經(jīng)歷 (1) 巷道掘進(jìn)影響階段 （2） 掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段 （3） 采動影響階段 （4） 采動影響穩(wěn)定階段 （5） 二次采動影響階段 全部的五個階段。圍巖變形量遠(yuǎn)大于無采動及一側(cè)采

20、動穩(wěn)定后巷道。2021-12-14493）厚煤層中下分層區(qū)段巷道布置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 厚煤層中、下分層區(qū)段巷道相對本層工作面仍然是煤體-煤體、煤體-煤柱（采動穩(wěn)定、正采動）、煤體-無煤柱（采動穩(wěn)定、正采動）三種布置方式。與上部分層主要有以下三種位置關(guān)系： 布置在已穩(wěn)定的采空區(qū)下方，附近無上分層遺留煤柱，（圖7-10 a）； 布置在已穩(wěn)定的采空區(qū)下方，并在上分層護(hù)巷煤柱附近，（圖7-10 b）； 巷道布置在上分層護(hù)巷煤柱下部（圖7-10 c）。 2021-12-1450 圖7-10 厚煤層 中下分層區(qū)段巷 道布置方式 a在已穩(wěn)定的采 空區(qū)下方 b在已穩(wěn)定的采空區(qū)下方靠近上分 層護(hù)巷煤柱c在護(hù)巷煤柱

21、下 部(圖中巷道2) 2021-12-1451 中、下分層巷道如果位于上分層一側(cè)已采的煤體附近(圖7-10(a) ，上分層煤體的支承壓力，對下部分層巷道會產(chǎn)生一定影響。它的影響程度與巷道和上分層煤體邊緣之間的水平距離有關(guān)。一般情況下，水平距離超過2m影響已不明顯。 中、下分層巷道如果位于上分層兩側(cè)均已采空的煤柱附近(圖7-10(b) ，由于受到上分層煤柱支承壓力疊加的強(qiáng)烈影響，圍巖變形顯著。為了改善這種巷道的維護(hù)，要求巷道與上分層煤柱邊緣保持510m的水平距離。 2021-12-14527.2.3 底板巷道的位置和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（1）底板巷道的位置按照巷道與上部煤層回采空間的相對位置和開采時間關(guān)

22、系，巷道的位置可歸納以下三種情況： 巷道布置在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部。在上部煤層回采空間形成的底板應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道整個服務(wù)期間內(nèi)不受采動影響。2021-12-1453 巷道布置在保護(hù)煤柱下部。經(jīng)歷保護(hù)煤柱兩側(cè)回采工作面的超前采動。保護(hù)煤柱形成后，一直受保護(hù)煤柱支承壓力的影響。當(dāng)保護(hù)煤柱足夠?qū)捇蛘呦锏琅c保護(hù)煤柱的間距足夠大時，巷道可以避開采動影響，處于原巖應(yīng)力場內(nèi)。 巷道布置在尚未開采的工作面下部。經(jīng)歷上部采面的跨采影響后，位于已穩(wěn)定的采空區(qū)下部應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。2021-12-1454 圖7-11 底板巷道位置在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部；在保護(hù)煤柱下部；在尚未開采工作面下部，經(jīng)歷上部采面的跨采影響2021

23、-12-1455（2） 底板巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 底板巷道從開掘到報(bào)廢，由于上部煤層的采動影響，引起圍巖應(yīng)力反復(fù)重新分布，圍巖變形速度隨之變化。 巷道在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)影響階段，然后進(jìn)入掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段，圍巖變形趨向穩(wěn)定，變形量不大。 2021-12-1456 巷道圍巖變形要經(jīng)歷掘巷期間明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，保護(hù)煤柱不足夠?qū)挄r，受上部煤層工作面A回采影響期間顯著變形，然后又趨向穩(wěn)定；受上部煤層工作面B回采影響期間強(qiáng)烈變形，然后再次趨向以較大的變形速度持續(xù)變形（圖7-12( a)）。 巷道圍巖變形要經(jīng)歷掘巷期間明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，工作面跨越開采時引起圍巖強(qiáng)烈變形，然后又趨向穩(wěn)定（圖7-1

24、2(b)）。2021-12-1457 圖7-12 受上部煤層采動影響底板巷道變形 a 保護(hù)煤柱不夠?qū)挆l件下 b 采面跨采條件下2021-12-1458（三） 厚煤層主要巷道的布置方式 20世紀(jì)50年代至60年代初期，我國一些開采厚煤層的礦井，曾采用在厚煤層內(nèi)布置區(qū)段集中巷，上、下山甚至大巷，一般沿底板掘進(jìn)，兩側(cè)留保護(hù)煤柱。巷道要經(jīng)受多次采動影響。圍巖變形強(qiáng)烈、破壞嚴(yán)重，還可能引起煤層自然發(fā)火。 自60年代起，許多礦井以底板巖層巷道替代煤巷，為礦井安全和正常生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。但是巖巷工程量大、系統(tǒng)復(fù)雜，與現(xiàn)代化礦井綜合機(jī)械化采煤的發(fā)展不相適應(yīng)。 目前，隨著開采技術(shù)和巷道維護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，我國一

25、些開采厚煤層的礦井重新開始在厚煤層內(nèi)布置上、下山甚至大巷，這標(biāo)志厚煤層巷道部署的重要改革，對礦井生產(chǎn)建設(shè)將會產(chǎn)生重大影響。2021-12-1459 7.2.4 上、下山巷道的位置 按巷道與回采空間的相對位置和回采順序，可將上、下山的布置方式歸納為圖7-13所列舉的類型 ： (1) 位于煤層內(nèi)用煤柱保護(hù)的上、下山 (2) 位于底板巖層內(nèi)上方保留煤柱的上、下山 (3) 上、下山位于底板巖層內(nèi)，上部煤層工作面跨越上、下山回采?？缭椒绞饺鐖D7-13 c所示，左翼工作面先回采到上、下山附近處停采，然后右翼工作面跨越上、下山回采到左翼工作面停采線附近處停采。2021-12-1460(4) 上、下山位于底板

26、巖層內(nèi)，上部煤層工作面跨越上、下山回采?？缭椒绞饺鐖D7-13 d所示，右翼工作面在左翼工作面還遠(yuǎn)離上、下山時就跨越上、下山。 上、下山（圖7-13(d)）巷道的圍巖變形只經(jīng)過掘巷期間明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，跨采引起圍巖變形急劇增加，以及跨采之后圍巖變形趨向穩(wěn)定四個時期，總變形量顯著減少（圖7-14）。2021-12-1461 圖7-13 受采動影響的上、下山布置方式 2021-12-1462 圖7-14 上、下山（圖7-13(d)）巷道圍巖變形 2021-12-14637.2.5 巷道位置參數(shù)的選擇 巷道位置參數(shù)既明確了巷道所在的層位及其圍巖性質(zhì)，也決定了巷道受到采動影響的程度。圍巖性質(zhì)是影響

27、巷道維護(hù)諸因素中最為重要的因素 。2021-12-1464 1)巷道位置參數(shù) 本煤層巷道與開采空間在同一層面內(nèi)，它的位置參數(shù)是巷道與采空區(qū)邊緣的距離，即保護(hù)煤柱的寬度。 底板巷道與開采空間不在同一層面內(nèi)，它的位置參數(shù)是巷道與上部煤層之間的垂直距離Z，巷道與上部煤柱（體）邊緣之間的水平距離X，煤柱的合理寬度B。 巷道布置類型及參數(shù)見示意圖7-15。 2021-12-1465圖 7-15 巷道布置類型及布置參數(shù)示意圖 2021-12-14662） 巷道圍巖變形與Z、X值的關(guān)系 現(xiàn)場實(shí)測表明：在巷道圍巖性質(zhì)、開采深度和上部煤層采動狀況等相同條件下，巷道圍巖變形量u (mm)與巷道至上部煤層的垂距Z(

28、m)之間呈冪函數(shù)關(guān)系。2021-12-1467 圖 7-16 巷道圍巖變形與Z值的關(guān)系曲線 1區(qū)段集中巷 ；2盤區(qū)上山 2021-12-1468 在巷道圍巖性質(zhì)、開采深度、上部煤層采動狀況和巷道至上部煤層之間的垂距等相同條件下，巷道與上部煤柱（體）邊緣之間的水平距離X決定著上部煤層跨采后，巷道是位于采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，還是處于上部煤柱引起的應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)。 巷道圍巖變形速度與上部兩側(cè)已采煤柱水平距離實(shí)測關(guān)系曲線見圖7-17， 巷道圍巖變形速度與上部一側(cè)已采煤體邊緣水平距離實(shí)測關(guān)系曲線見圖7-18。 2021-12-1469圖7-17 巷道圍巖變形速度與上部煤柱邊緣之間的水平距離關(guān)系曲線1兩

29、幫移近速度 2頂?shù)滓平俣?021-12-1470 圖7-18 巷道圍巖變形速度與上部煤體邊緣之間 的水平距離關(guān)系曲線 1兩幫移近速度 2頂?shù)滓平俣?021-12-1471 3） 巷道位置參數(shù)的選擇(1) 底板巖層中應(yīng)力分布區(qū)域 底板巷道礦壓顯現(xiàn)表明，底板中除垂直應(yīng)力外，剪應(yīng)力、水平應(yīng)力也是影響巷道礦壓顯現(xiàn)的重要因素。依據(jù)數(shù)值計(jì)算、相似模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測等多方面分析研究，在煤體與采空區(qū)交界地區(qū)，采動引起的底板巖層應(yīng)力分為以下區(qū)域（圖7-19）： 2021-12-1472圖7-19 底板巖層應(yīng)力分布區(qū)域 原巖應(yīng)力區(qū)；應(yīng)力集中區(qū)；卸壓區(qū)；應(yīng)力恢復(fù)區(qū)；A拉伸破裂區(qū)；B、C剪切滑移區(qū)卸壓區(qū)中拉伸破裂

30、和剪切滑移區(qū)以下區(qū)域應(yīng)當(dāng)是布置底板巷道的理想?yún)^(qū)域。2021-12-1473 (2) 計(jì)算底板巷道位置參數(shù) 依據(jù)巷道需求的穩(wěn)定程度和巷道實(shí)際圍巖強(qiáng)度，計(jì)算在不同開采深度條件下，巷道的位置參數(shù)。 上部煤層跨越底板巷道回采時，一般情況下巷道應(yīng)采取臨時加強(qiáng)支護(hù)措施。上部煤層跨采過后，為了確保巷道獲得卸壓效果，需要綜合考慮巷道與上部煤層之間的垂直距離Z，以及巷道與上部煤體邊緣之間的水平距離X（圖7-20）。 2021-12-1474 巷道與上部煤層之間的垂直距離，應(yīng)盡可能選擇在距煤層不小于表7-3所規(guī)定距離的較堅(jiān)硬的巖層內(nèi)，但通常不超過50m。 已知巷道與上部煤層之間垂直距離情況下，巷道與上部煤體邊緣之

31、間合理的水平距離見表7-4所列。 圖720 應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)底板巷道位置參數(shù) 2021-12-1475表7-3 巷道與跨采煤層間的最小距離/m2021-12-1476巷道與上部煤層之間的垂直距離/m 巷道埋深 /m 圍 巖 強(qiáng) 度/Mpa 10 15 20 30 40 50 30 25 30 35 40 3060 15 15 20 25 30 35 300 60 10 10 12 15 17 20 3060 25 30 35 40 600 60 17 20 25 30 35 900 60 25 30 35 40 1000 60 25 30 35 45 表7-4 巷道與上部煤層邊緣之間的水平距離X/

32、m2021-12-1477(3) 頂板巷道位置參數(shù) 我國煤層賦存條件復(fù)雜，在某些情況下，例如靠近煤層的底板巖層為強(qiáng)含水的奧灰?guī)r或者軟弱巖層；以及為了減輕或消除上部煤層的煤與瓦斯突出或沖擊地壓的危險(xiǎn)，先開采下部作為保護(hù)層的煤層時，布置頂板巷道更有利。目前，我國主要用保護(hù)煤柱保護(hù)頂板巷道 。2021-12-1478 我國主要用保護(hù)煤柱保護(hù)頂板巷道（圖7-21），圖中：、為巖層移動角，x0為巷道一側(cè)保護(hù)帶寬度，一般不小于20m。 前蘇聯(lián)煤礦巷道布置規(guī)程中規(guī)定：布置在尚未開采的煤層頂部，要經(jīng)歷下部煤層開采影響的頂板巷道，Z值不小于回采工作面頂板裂隙帶的高度，用全部跨落法時，Z值不小于12倍采高。巷道與

33、下部煤體邊緣之水平距離XZ2L，且X大于50m，L為下部煤層工作面周期來壓步距（圖7-22）。2021-12-1479圖7-21 保護(hù)煤柱維護(hù)頂板巷道示意圖 a煤層走向方向；b煤層傾向方向2021-12-1480 圖7-22 下部煤層（跨采）頂板巷道示意圖 2021-12-14817.2.6 綜放面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)1) 實(shí)體煤巷道 與綜采分層工作面相比，綜放整層工作面超前支承壓力分布范圍擴(kuò)大，應(yīng)力高峰位置前移；一般情況下綜放巷道各項(xiàng)礦壓顯現(xiàn)指標(biāo)參數(shù)均高于綜采分層巷道。2) 沿空掘進(jìn)巷道 以兗州興隆莊煤礦為例，綜放與綜采一分層沿空巷道相比較超前支承壓力明顯影響區(qū)范圍擴(kuò)大20m左右；頂?shù)装迤骄?/p>

34、移近量增加400100mm，頂?shù)装迤骄平俣仍黾?2mm/d。 2021-12-14827.3 巷道圍巖控制原理7.3.1 7.3.1 巷道圍巖壓力及影響因素1) 圍巖壓力 圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的擠壓力或塌落巖石的重力，統(tǒng)稱為圍巖壓力。 根據(jù)圍巖壓力的成因，可分為以下四種類型： 松動圍巖壓力、 變形圍巖壓力、 膨脹圍巖壓力、 沖擊和撞擊圍巖壓力。 2021-12-1483(1) 松動圍巖壓力 由于巷道開挖而松動或塌落的巖體，以重力的形式直接作用于支架結(jié)構(gòu)物上的壓力，表現(xiàn)為松動圍巖壓力載荷形式。如支護(hù)不能有效地控制圍巖變形的發(fā)展，圍巖形成松動垮塌圈時，將導(dǎo)致松動圍巖壓力出現(xiàn)，通常頂

35、壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。2021-12-1484（2） 變形圍巖壓力 支護(hù)能控制圍巖變形的發(fā)展時，圍巖位移擠壓支架而產(chǎn)生的壓力，稱為變形圍巖壓力，簡稱變形壓力。 彈性變形壓力是圍巖彈性變形時作用于支架上的壓力，彈性變形產(chǎn)生速度極快，變形量很小，實(shí)際意義不大。 塑性變形壓力是由于圍巖的塑性變形和破裂，圍巖向巷道空間位移，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的壓力，是變形圍巖壓力的主要形式。塑性變形的大小主要取決于巷道塑性區(qū)和破裂區(qū)的范圍。塑性區(qū)的擴(kuò)展具有明顯的時間效應(yīng)。 2021-12-1485（3） 膨脹圍巖壓力 圍巖膨脹、崩解體積增大而施加于支護(hù)上的壓力，稱為膨脹壓力。膨脹壓力與變形壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹而引起的。

36、兩者的變形機(jī)制截然不同。前者是指與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)；后者主要是圍巖應(yīng)力與結(jié)構(gòu)效應(yīng)。（4） 沖擊和撞擊圍巖壓力 沖擊圍巖壓力指圍巖積累了大量彈性變形能之后，突然釋放出來所產(chǎn)生的壓力；撞擊圍巖壓力是回采工作面上覆巖層劇烈運(yùn)動時對巷道支護(hù)體所產(chǎn)生的壓力。 2021-12-1486 2) 影響圍巖壓力的主要因素 影響圍巖壓力的因素基本上可分為開采技術(shù)因素和地質(zhì)因素兩大類。 開采技術(shù)因素中，影響最大的是回采工作狀況，即巷道與回采工作面相對空間、時間關(guān)系。例如，巷道是處于一側(cè)、兩側(cè)或鄰近煤層采動影響條件下，是受一次還是受多次采動影響，采動影響已經(jīng)穩(wěn)定還是正在采動過程中。 2021-12-1487 其次是

37、巷道保護(hù)方法，例如，巷旁支護(hù)方式、巷道斷面形狀和大小、巷道掘進(jìn)方法、巷道基本支護(hù)類型和參數(shù)等。 地質(zhì)因素主要有：原巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、巖石的組成和膠結(jié)狀態(tài)、圍巖中水分的補(bǔ)給狀況等。2021-12-14887.3.2 7.3.2 巷道圍巖控制原理和方法1) 巷道圍巖控制原理 巷道圍巖控制是指控制巷道圍巖的礦山壓力和周邊位移所采取措施的總和。其基本原理是：人們根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度以及它們之間相互關(guān)系，選擇合適的巷道布置和保護(hù)及支護(hù)方式。降低圍巖應(yīng)力，增加圍巖強(qiáng)度，改善圍巖受力條件和賦存環(huán)境，有效地控制圍巖的變形、破壞。 2021-12-14892)巷道布置 從巷道圍巖控制的角

38、度出發(fā)，布置巷道時應(yīng)重視下列問題：(1) 在時間和空間上盡量避開采掘活動的影響，最好將巷道布置在煤層開采后所形成的應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)。(2) 如果不能避開采動支承壓力的影響，應(yīng)盡量避免支承壓力疊加的強(qiáng)烈作用，或者盡量縮短支承壓力影響時間，例如跨越巷道開采，避免在遺留煤柱下方布置巷道等。2021-12-1490(3) 在采礦系統(tǒng)允許的距離范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定的巖層或煤層布置巷道，盡量避免水與松軟膨脹巖層直接接觸。(4) 巷道通過地質(zhì)構(gòu)造帶時，巷道軸向應(yīng)盡量垂直斷層構(gòu)造帶或向、背斜構(gòu)造。(5) 相鄰巷道或硐室之間選擇合理的巖柱寬度。(6) 巷道的軸線方向盡可能與構(gòu)造應(yīng)力方向平行，避免與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直。2

39、021-12-14913) 巷道保護(hù)及支護(hù) 巷道的保護(hù)及支護(hù)措施可以歸納為以下幾點(diǎn)：(1) 通過在巷道圍巖中鉆孔卸壓、切槽卸壓、寬面掘巷卸壓以及在巷旁留專門的卸壓空間等方法，使巷道圍巖受到某種形式的不同程度的卸載。(2) 采用圍巖鉆孔注漿、錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)、巷道周邊噴漿、支架壁后充填、圍巖疏干封閉等方法，增高圍巖強(qiáng)度，優(yōu)化圍巖受力條件和賦存環(huán)境。2021-12-1492(3) 架設(shè)支架對圍巖施加徑向力，既支撐松動塌落巖石，又能加大巷道的圍壓，保持圍巖三向受力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，限制塑性變形區(qū)和破裂區(qū)的發(fā)展。 2021-12-14937.3.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)選擇1)巷道圍巖穩(wěn)定性分類 巷道圍巖穩(wěn)定性的類別是一個模糊概念,選用模糊聚類分析方法. 分類指標(biāo)： 屬于圍巖強(qiáng)度方面 巷道頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度、 煤層單向抗壓強(qiáng)度 巷道底板巖石單向抗壓強(qiáng)度， 圍巖巖體完整