巷道支護(hù)基礎(chǔ)理論

1、巷 道 支 護(hù) 理 論 基 礎(chǔ)主要內(nèi)容一、巷道支護(hù)基本理論 二、煤巷錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)三、煤巷頂板事故防治 四、煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)1.巷道主要支護(hù)形式及其現(xiàn)狀l 煤巷支護(hù)主要形式l 木支架l 工字鋼支架l U型鋼支架l 錨桿支護(hù)l 巷道變形量大時(shí)上述支架難以滿足支護(hù)要求木支架l 優(yōu)點(diǎn)：重量輕、加工容易、架設(shè)方便、有破壞信號l 缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、易破壞、不防火、易腐蝕、風(fēng)阻大l 適用條件：巷道服務(wù)期較短、壓力小、斷面積不大工字鋼可縮性梯形支架井下應(yīng)用l 埋深小于400m的煤巷，支護(hù)沒有問題工字鋼可縮性梯形支架結(jié)構(gòu)適用巷道：圍巖比較穩(wěn)定受動(dòng)壓影響變形200500mm工字鋼梯形支架破壞形式U型鋼可縮性拱形支

2、架適用巷道：1.服務(wù)時(shí)間長 2.圍巖不穩(wěn)定 3受動(dòng)壓影響大 4.變形大于400mm 5.無底臌U型鋼拱形支架破壞形式嚴(yán)重變形拱形錄像U型鋼可縮性圓形支架適用巷道：1.服務(wù)時(shí)間長2.圍巖不穩(wěn)定3.受動(dòng)壓影響大4.變形大于800mm5有底臌U型鋼方環(huán)形可縮性環(huán)形支架適用巷道：1.服務(wù)時(shí)間長2.圍巖不穩(wěn)定3.受動(dòng)壓影響大4.變形大于1000mm5有底臌錨桿支護(hù)拱形巷道錨桿支護(hù)梯形巷道低強(qiáng)度普通的錨桿支護(hù)常用支架的破壞形式1.埋深小于400m的煤巷，支護(hù)沒有問題 -木支架、工字鋼支架和U型鋼可縮性支架2.埋深超過600m， 傳統(tǒng)支護(hù)不能適應(yīng) -木支架和金屬剛性支架徹底毀壞 -U型鋼可縮性支架嚴(yán)重變形

3、-低強(qiáng)度錨桿支護(hù)不能滿足巷道維護(hù)要求3. 現(xiàn)代化采煤迫切需要高水平的錨桿支護(hù)4. 2、巷道變形破壞原因分析 1.巷道圍巖條件差 2.圍巖應(yīng)力大 3.支護(hù)不適應(yīng)巖石結(jié)構(gòu)開采煤層頂?shù)装鍘r層特點(diǎn)l 埋藏深度1001000m，壓力2502500t；l 絕大多數(shù)頂板有直接頂、老頂和直接底、老底。材料破壞機(jī)理巖塊單軸壓縮兩種破壞形態(tài)巖石與軟鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石循環(huán)加載曲線巖塊軸向與橫向應(yīng)力應(yīng)變曲線三向應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)鄮r三軸試驗(yàn)曲線大理石三軸試驗(yàn)曲線點(diǎn)載荷試驗(yàn)直剪試驗(yàn)巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)巖石試件主破裂面巖石破裂面極限莫爾圓包絡(luò)線莫爾圓物理意義應(yīng)力狀態(tài)的圖示莫爾圓的定量關(guān)系莫爾庫侖準(zhǔn)則三軸壓縮極限應(yīng)力圓單

4、軸壓縮極限應(yīng)力圓共軛破裂面庫侖準(zhǔn)則用強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷穩(wěn)定性斜直線型莫爾包絡(luò)線格里菲斯機(jī)理格里菲斯準(zhǔn)則地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果普氏地壓假說太沙基地壓學(xué)說變形壓力理論巷道影響區(qū) 1.是指巷道周圍巖體中由于掘進(jìn)巷道而使應(yīng)力比原巖應(yīng)力發(fā)生明顯變化(大于5)的地區(qū)。 2.該區(qū)的范圍與礦山巖石的性質(zhì)、開采深度、巷道的形狀和尺寸等有關(guān)，一般影響范圍的直徑為巷道最大線性尺寸的24倍。不同類型覆巖開采后的破壞情況1冒落帶; 2裂隙帶a覆巖為軟巖層; b覆巖為中硬巖層; c覆巖為堅(jiān)硬巖層開采后上覆巖層分區(qū)與分帶工作面周圍應(yīng)力集中開采形成的支承壓力 煤巷上方應(yīng)力升高1.圍巖松軟破碎；2.受采動(dòng)強(qiáng)烈影響，地應(yīng)力大；3.巷道劇烈變形

5、；煤柱底板應(yīng)力分布英國煤柱應(yīng)力測量結(jié)果煤柱應(yīng)力圓形巷道受均布載荷圍巖應(yīng)力圓形巷道受不等載荷圍巖應(yīng)力橢圓巷道周邊應(yīng)力矩形巷道周邊應(yīng)力圓形巷道塑性區(qū)分布層狀圍巖巷道塑性區(qū)分布層狀圍巖巷道圍巖區(qū)分布規(guī)律 (a)實(shí)體煤巷道；(b)煤柱巷道；(c)沿空巷道；(d)無直接頂、底的煤柱巷道。分布狀態(tài)：(a)“”型；(b)、(c)半“”型；(d)缺上（或下）的半“”型。與圓形巷道、基本巷道分布狀態(tài)不同，是研究動(dòng)壓、軟巖巷道礦壓的基礎(chǔ)。 塑性圈l 在集中應(yīng)力作用下，當(dāng)巷道圍巖所受應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在巷道周圍形成一個(gè)塑性變形區(qū)，其邊界稱為塑性圈。l 圈內(nèi)巖體的基本特征是裂隙增多。由于塑性圈內(nèi)

6、巖石逐漸松弛，而喪失部分承載能力，使原來巷道周邊附近巖石承受的一部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移給鄰近的一定深度的巖體，因而塑性圈也隨之逐步擴(kuò)展到巖體內(nèi)的一定深度。松動(dòng)圈l 巷道周圍巖體發(fā)生破裂和松動(dòng)的區(qū)域，通常稱為松動(dòng)圈。l 其范圍一般為0.51.5m，它與巖體性質(zhì)及抗壓強(qiáng)度等有關(guān)。松脫壓力l 由于地質(zhì)弱面的切割、采動(dòng)引起的離層或巖塊冒落等原因所造成的松散巖體作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的壓力，稱散體地壓或松脫壓力。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效地限制圍巖變形的發(fā)展，而在周圍巖體內(nèi)形成松動(dòng)圈時(shí)，往往導(dǎo)致松動(dòng)圍巖壓力的出現(xiàn)。l 松脫壓力可采用松散介質(zhì)極限平衡理論或塊體極限平衡理論進(jìn)行分析和估算。變形壓力l 是指由于圍巖產(chǎn)生指向巷道(硐

7、室)的位移時(shí)擠壓支護(hù)體而造成的壓力。l 它在圍巖與支護(hù)體相互作用過程中施加于支護(hù)體上。在“圍巖支架”力學(xué)體系中，只要圍巖變形而支護(hù)體又限制其變形，圍巖就對支護(hù)體施加變形壓力。l 變形壓力和支護(hù)體的剛度有關(guān)。在一定的條件下，支護(hù)體剛度越大，變形壓力也越大。圍巖變形不僅包括彈性變形，塑性變形，而且還包括與時(shí)間有關(guān)的流變變形。對于松軟巖體尤為明顯，其值遠(yuǎn)比彈、塑性變形大，而且隨時(shí)間而不斷增加,因而支護(hù)體所受到的變形壓力也不斷增加。膨脹壓力l 是指由于圍巖吸水發(fā)生膨脹而對支護(hù)體產(chǎn)生的壓力。l 這種壓力實(shí)質(zhì)上是變形壓力的一種，只是它因含有大量蒙脫石等膨脹性礦物的粘土巖所特有的一種圍巖壓力。沖擊壓力l 又

8、稱礦山?jīng)_擊、沖擊地壓、巖爆等，是礦壓顯現(xiàn)的動(dòng)力現(xiàn)象之一。它是在集中應(yīng)力作用下，煤、巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能在一定條件下突然釋放，使煤、巖體發(fā)生急劇脆性破壞或大塊煤體突然向已采空間拋射的現(xiàn)象。巷道影響區(qū) 1.是指巷道周圍巖體中由于掘進(jìn)巷道而使應(yīng)力比原巖應(yīng)力發(fā)生明顯變化(大于5)的地區(qū)。 2.該區(qū)的范圍與礦山巖石的性質(zhì)、開采深度、巷道的形狀和尺寸等有關(guān)，一般影響范圍的直徑為巷道最大線性尺寸的24倍。巷道圍巖穩(wěn)定性 1.是指各種地下工程在施工和使用中，巷道(或硐室)周圍巖體穩(wěn)定程度。 2.它與巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、回采動(dòng)壓、地下水、巷道跨度與形狀及施工方法等許多因素有關(guān)。巷道圍巖變形是其穩(wěn)定性的

9、反映，是各種影響因素綜合影響的結(jié)果。支護(hù)對象：破裂煤巖體。頂板巖石松軟、破碎，節(jié)理、層理發(fā)育；兩幫煤體既松軟又性脆；圍巖錨固性能差；煤巷破壞原因工程條件變化頻繁，不確定性強(qiáng)，同一條巷道，類別相差12個(gè)級別：高于自重應(yīng)力數(shù)倍的強(qiáng)烈采動(dòng)高應(yīng)力作用絕對變形量達(dá)到5001500mm以上，一般為巖巷的幾倍到幾十倍巷道工程量大，服務(wù)時(shí)間短移近量曲線3.巷道礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律l 巷道掘進(jìn)階段（）掘進(jìn)巷道僅對小范圍巖體造成擾動(dòng)，故一般情況下礦壓顯現(xiàn)不會(huì)很劇烈.l 無采掘影響階段（）頂?shù)装逡平俣缺染蜻M(jìn)期間要小得多，故巷道基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。l 采動(dòng)影響階段（）采動(dòng)影響是由于回采工作引起圍巖應(yīng)力再次重新分布

10、而造成的。這階段中礦壓顯現(xiàn)也最強(qiáng)烈。l 二次采動(dòng)影響階段（）二次采動(dòng)影響的時(shí)間和空間規(guī)律與一次采動(dòng)影響類似，但由于這種情況下巷道受到下區(qū)段工作面超前支承壓力和巷道煤體一側(cè)殘余支承壓力的疊加作用，二次采動(dòng)影響的劇烈程度和影響范圍都會(huì)比一次采動(dòng)影響稍大。l 采動(dòng)影響穩(wěn)定階段（）這是巷道圍巖經(jīng)受一次采動(dòng)影響后重新進(jìn)入相對穩(wěn)定的階段，故其圍巖移動(dòng)特征基本上與無采掘影響階段類似。圍巖不均勻的整體下沉和局部上升大面積開采、動(dòng)壓和不同護(hù)巷方式引起高應(yīng)力區(qū)下沉、應(yīng)力降低區(qū)上升。圖1 相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果u1、u2、u3、u4、u5下沉曲線 D1、D2、D3破斷曲線巷道圍巖不均勻整體下沉和局部上升 巷道兩幫下沉

11、引起底鼓兩幫下沉、底角破壞，水平應(yīng)力擠壓，底板淺部鼓起，頂板下沉、離層 。 （a） （b）圖2 兩幫下沉與底鼓關(guān)系（a）東龐礦（中硬巖）；（b）黃塘嶺礦（軟巖）權(quán)臺(tái)礦現(xiàn)場實(shí)測 淺部鼓起，深部下沉； 與采煤工作面距離不同而變化。 巷道底板深基點(diǎn)位移 巷道底板垂直位移 No垂直位移為零；N零應(yīng)變點(diǎn) 力學(xué)分析（1）Q(y) 作用下M點(diǎn)的位移根據(jù)彈性力學(xué)理論，平面應(yīng)變條件下的半無限平面體， Q(y)dy 載荷作用下M點(diǎn)的垂直位移分量dux圖5 力學(xué)計(jì)算簡圖 Q(y) 作用下，M點(diǎn)的垂直位移ux 等于式（1）在a,b區(qū)間上的積分。(2)煤柱巷道底板等效載荷分布 煤柱巷道底板等效載荷分布 簡化的載荷分布底

12、板中心線上的垂直位移各區(qū)段分布載荷在巷道底板中心線上引起的垂直位移 巷道底板中心線上總的垂直位移巷道支護(hù)主要原則1-圍巖位移曲線；2支架工作特性曲線；3圍巖松動(dòng)破壞后的位移曲線；A、B、C支架可能的工作點(diǎn)；Pmax、Pmin支架承受的最大承載力和最小承載力；umax允許圍巖最大位移量 合理利用巷道圍巖的自承力l 為了利用圍巖的自承力，就要容許圍巖產(chǎn)生某些變形。這種變形會(huì)使圍巖中的能量得到一定釋放，從而起到一定的“卸載作用”，這將有利于減輕支架受載。但應(yīng)當(dāng)注意的是，這種變形應(yīng)是有限制的。合理選擇支架工作點(diǎn)l 合理利用圍巖自承力的途徑是使支架與圍巖在相互約束的狀態(tài)下共同承載，即在不導(dǎo)致圍巖松動(dòng)破壞

13、的前提下，既充分利用圍巖的自承力，又使支架提供的支護(hù)阻力最小。為此，應(yīng)確定某一條件下，巷道支架的合理工作點(diǎn)。B點(diǎn)是支架的最佳工作點(diǎn)。為有一定安全儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使支架工作點(diǎn)保持離B點(diǎn)不遠(yuǎn)。提高圍巖自承能力l 利用物理法和化學(xué)法加固圍巖是提高其自承能力的有效措施。前者一般是將不同結(jié)構(gòu)類型的錨桿打入煤或巖體內(nèi)部，加固圍巖；后者是將粘結(jié)劑注入煤或巖體內(nèi)部，通過充填和固結(jié)煤或巖體中的裂隙和各種弱面，使之成為一個(gè)整體，達(dá)到增強(qiáng)圍巖自承能力的目的。選擇合理的支護(hù)方式與參數(shù)l 巷道的支護(hù)方式與參數(shù)應(yīng)符合支架與圍巖共同承載的原理。要根據(jù)具體條件，在剛性支架、可縮性支架、錨桿支護(hù)中進(jìn)行合理的選擇。剛性支架，一般

14、只適用于頂?shù)装逡平?lt;10的條件。采區(qū)巷道中大多數(shù)情況下要用可縮性支架或錨桿支護(hù)。4、 改善巷道支護(hù)面貌的基本途徑（1）合理布置巷道 （2）提高圍巖強(qiáng)度 （3）減小巖體應(yīng)力 （4）巷道支護(hù)（1）巷道布置的原則1）空間上盡量避免支承壓力的強(qiáng)烈影響、疊加影響和多次影響；時(shí)間上盡量縮短支承壓力影響時(shí)間。2）巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)。3）采用無煤柱開采，必須留煤柱時(shí)在保證煤柱穩(wěn)定的條件盡可能小。4）如果需要留煤桂保護(hù)巷道，所留護(hù)巷煤柱尺寸應(yīng)使巷道不受支承壓力影響或影響較小。5）避免在煤柱上、下方布置巷道。合理選擇底板巖巷與煤柱邊緣的水平距離X、與煤層垂直距離Z。6）在圍巖受采動(dòng)影響穩(wěn)定后

15、再掘巷道。7）巷道軸線方向盡量與最大水平主應(yīng)力方向平行，避免與之垂直。 煤層底板支承應(yīng)力分布已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布冒落帶；裂隙帶；彎曲下沉帶；A原始應(yīng)力區(qū)；B1、B2應(yīng)力增高區(qū)、C應(yīng)力降低區(qū)；D應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)巷道布置在低壓區(qū)煤體與采空區(qū)交界處底板垂直應(yīng)力等值線分布上覆巖層容重；H埋藏深度：底板巖石應(yīng)力升高區(qū)的擴(kuò)展影響角；Z被跨巷道與上部回采煤層間的法線距；X-被跨巷道與上部回采煤柱邊緣的水平距 （2）提高圍巖強(qiáng)度l 布置在穩(wěn)定巖層中；l 布置錨桿，強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度；l 圍巖注漿，提高巖體強(qiáng)度；l 封閉、疏干、防風(fēng)化，防止圍巖碎裂、強(qiáng)度降低注漿加固圍巖 注漿材料（1）材料類別化學(xué)類：丙烯酰胺類、聚氨脂類 水泥類：單液水泥漿；水泥、水玻璃雙液漿； ZKD高水速凝材料（雙液或單液）（3）減小巖體應(yīng)力1.合理布置巷道： 2.時(shí)間、空間上減少巷道承受支承壓力影響，巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)；3.合理設(shè)計(jì)煤柱尺寸； 4. 巷道卸壓：跨采進(jìn)行巷道卸壓； 5.開槽卸壓；震動(dòng)爆破卸壓；6.布置卸壓峒室卸壓進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)移1.巷內(nèi)開槽孔 2.松動(dòng)爆破 3.巷道一側(cè)或兩側(cè)布置巷道 4.巷道頂板掘巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與關(guān)鍵