巷道围岩应力转移理论与技术.

巷道围岩应力转移理论与技术中国矿业大学柏建彪（博士、教授）[e-mail]21概述2巷道围岩应力转移理论3顶板掘巷应力转移原理与技术4底板掘巷的应力转移原理与技术5煤层上行开采的应力转移原理与技术6巷道底板松动爆破应力转移与注浆加固技术7巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术8国内外其它技术主要内容1.概述围岩松软破碎单轴抗压强度30～40MPa深井（自重应力）高应力采动应力（原岩应力的2～8倍）构造应力松软破碎＋高应力大变形巷道难维护的原因5第一类，围岩软弱型，即软岩巷道第二类，采动影响型，即动压巷道第三类，深井高应力型，即深井巷道高应力巷道类型6我国国有大中型煤矿开采深度每年约以10～12m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩体强度时，有关岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化，造成深部开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安全生产。深井软岩成为重点7我国是世界产煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的储量分别占到73.19%和53.17%。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。8矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，岩石峰后状态和性质、长时强度发生变化等特点。这些特点造成巷道维护困难、维护费用高，影响生产等一系列问题。高应力巷道特点合理可靠的支护加固围岩（锚杆、注浆）围岩应力转移上述综合技术大变形巷道围岩控制的技术途径10对于高应力巷道来说，相对降低围岩应力以达到保护巷道，是控制巷道围岩变形的一条有效途径。因此，从控制应力的角度提出“巷道围岩应力转移理论与技术”的研究问题研究巷道围岩应力转移2.巷道围岩应力的转移理论12研究基础煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，而且将该应力向底板岩层深部传递。可将煤层底板的岩层视为一个半无限体。半平面体弹性问题是研究半无限平面体在边界上受切向或法向分布力或集中力（力偶）作用时的平面弹性问题。应用格林函数，先通过边界归化将双调和方程边值问题转化为一个只与边界面力有关的边界积分方程，再根据已知的面力条件通过具体积分可以直接得到半平面体各种弹性问题的解析解。13半平面问题应力函数边界积分公式研究得到上半平面重调和方程的Poisson积分公式：xxyxxyxxyxxyyxnd)()(1d)(])[(21),(2220222322yxxy22yxxy2研究区域内各点的应力为：14底板应力增量分布采空区上覆岩层产生弯曲、沉降，断裂甚至垮落，工作面前方和采空区两侧的煤体和煤柱上应用增加。将采动支承压力简化为以下的计算图。b2为松塌区，b为松弛区及塑性区，b1为应力升高的弹性区及原岩应力区15将上述模型分三段进行积分计算后得到以下应力公式：1101211022221101122d)(),,(1),(d)(),,(1),(d)(),,(1),(xxxyxmyxyxxxxyxmyyxxxxyxmxyxxyxy16力学模型的建立煤矿上行开采时，下部煤层可设为带状无限长板，通过复变函数方法对弹性带状无限长板应力问题进行求解，建立以下力学模型。上行开采的应力转移原理17力学模型的建立根据带状无限长板的应力函数，结合边界条件，计算得到板的应力解析表达式为：0)(),(),(dttyxyxxx0)(),(),(dttyxyxyy0)(),(),(dttyxyxxyxy18开采煤层顶板中的应力在煤矿开采过程中，采空区出现垮落带，结构模型简化如图。19算例：取垮落带宽度为200m，两侧未采煤层距垮落带中心x轴距离为100m，顶板承受的上部载荷（原岩应力）p0=10.5MPa，底部煤柱支承载荷p1=21MPa，计算宽度100m，上部载荷作用的范围为400m，顶板厚度a=50m，则得到垂直应力分布图如下可见，采空区上方垂直应力有大幅度减少，距离采空区越近减少幅度越大，随着远离采空区逐步增大，逐渐恢复到原岩应力。煤柱附近垂直应力的值较大，且均为压应力；随着距离的增加，应力逐渐减小，逐渐恢复到原岩应力。20对高应力巷道而言，在顶板或底板开掘巷道并松动爆破，形成卸压带，从而将围岩应力往深部转移，降低了被保护巷道围岩浅部的应力，这是一种巷道保护的有效方法。为简化计算，对于顶板或底板中开掘的大面积卸压带，可以将其简化为狭长椭圆形。关于椭圆孔的平面问题，通过复变函数计算，给出了卸压孔周围较大范围围岩应力分布的理论计算公式。顶、底板掘巷及松动爆破围岩应力转移原理21顶板掘巷的应力转移原理巷道顶板掘巷实现应力转移的简单模型22底板掘巷的应力转移原理简单模型23狭长椭圆孔口孔边无均布压力的复变函数通解24狭长椭圆孔口孔边有均布压力的复变函数通解25算例：取qx=0.5，qy=1，椭圆长轴a＝15m，短轴b＝0.5m，孔边内压q=0.1，计算结果如下(分别为卸压孔正上方的水平应力和垂直应力等值线图)xy狭长松动爆破卸压孔围岩应力计算26椭圆卸压孔对侧向压力的降低效果不太明显；而对垂直压力的降低效果显著，可根据实际需要改变卸压孔的尺寸来控制对垂直应力降低的效果。因此对于采动影响下顶底板移近量大的峒室和巷道是十分有效的围岩应力转移的技术途径。xy结论3顶板掘巷应力转移原理与技术28顶板掘巷的应力转移原理巷道顶板掘巷实现应力转移的简单模型29巷道顶部掘巷实现应力转移的效果30胶带输送机硐室与回采工作面的关系胶带输送机硐室位于1306工作面南侧50m处，与3#煤层间距为28~60m。该采区内，3#煤层为主采煤层，其平均厚度为9m，分3层开采，分层采高2.8~3.0m。鲍店煤矿工程实例31问题的提出由于北翼采区的1301和1304工作面的开采，随着工作面的推进，巷道受到了相当严重的破坏，特别是1304工作面跨大巷回采期间，北翼胶带输送机大巷底鼓量达1235mm，顶板下沉量达388mm，两帮最大移近量达1250mm，断面缩小为原断面的55%。北翼胶带输送机大巷的破坏不仅严重影响了矿井的正常生产，而且巨大的巷道维护费用也大大降低了矿井的经济效益。32顶部掘巷的研究方案为解决问题，初步提出以下五种方案，利用数值计算方法进行研究：方案一：无顶部卸压巷时方案二：硐室顶部开掘8×2m2卸压巷方案三：硐室顶部开掘12×2m2卸压巷方案四：硐室顶部开掘16×2m2卸压巷方案五：硐室顶部开掘20×2m2卸压巷33研究结果一：对控制围岩变形的影响方案12345底鼓量（mm）20117013510267比值10.850.680.510.3334研究结果二：对围岩应力场的影响35顶部卸压巷设计方案36松动爆破炮眼布置图37现场实测分析2112位移速度1－顶底2－两帮4底板掘巷应力转移原理与技术39底板掘巷的应力转移原理简单模型40蒋庄煤矿工程实例问题的提出蒋庄煤矿南翼一部和二部强力胶带输送机担负着矿井水平的南翼煤岩输送任务，因此其机头硐室群的良好维护就是十分重要的问题，一旦出现问题，势必影响到全矿井的生产。41胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面平面位置对照图42南翼二部强力胶带输送机头硐室群平面图南大巷第四联络巷南翼二部强力皮带机巷3下307材料巷3上307材料巷南翼一部强力皮带机巷原巷道轮廓线扩刷后轮廓线张紧绞车硐室皮带中心线操作室电机硐室转载机巷5650033112243硐室维护的难点1、硐室群的组成复杂：有三个电机硐室、1个张紧绞车硐室、转载机巷、操作间及几条与硐室相连通的巷道组成。2、3上煤层开采对硐室的影响：该煤层距硐室30m。（已采）3、3下煤层开采对硐室群影响大：硐室群距离3下煤层约15m。4、硐室群的维护效果要求高：不允许有明显底鼓和基础破坏。5、主要硐室的断面大。44计算结果1：垂直应力的转移效果硐室受采动影响期间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主要硐室周边的垂直应力最大为40MPa左右。采用应力转移技术后，主要硐室周边的垂直应力降低为7.5MPa左右。效果十分明显。45计算结果2：水平应力的转移效果受采动影响期间，不采用应力转移技术时，硐室底板最大水平应力为48MPa。采用转移技术后，主硐室底板的水平应力减小为15MPa左右。46计算结果3：垂直位移的控制效果硐室受采动影响期时间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主硐室顶板下沉量可达193.4mm，底鼓量达158.8mm。采用应力转移技术后，主硐室基本无底鼓。效果显著。47应力转移技术对围岩的控制效果比较项目底鼓顶板下沉左帮变形右帮变形不掘卸压巷33.78（1）44.05（1）26.58（1）25.29（1）采动前底部掘巷0.6399（0.02）18.45（0.42）37.02（1.39）41.24（1.63）不掘卸压巷158.8（1）193.4（1）124.6（1）124.8（1）采动后底部掘巷-15.87（*）144（0.74）216.6（1.74）284.8（2.28）注：（）内数字表示采取应力转移技术与不采取应力转移技术时的变形比值。负值表示整体下沉。48卸压巷主要参数的研究模型49工业性试验方案50围岩变形实测05101520-160-140-120-100-80-60-40-200204060测点距工作面距离/m位移/mm两帮底板（1）采动影响下，围岩变形不明显。（2）硐室两帮相对移近量在20mm之内。（3）底鼓量在10mm左右。5煤层上行开采应力转移原理与技术52基本的应力转移原理上行开采应力转移的基本原理为：下部煤层先行开采后，在采空区上方形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，上部煤层处于裂隙带或缓沉带内。采空区上方岩层应力发生变化，此区域的应力显著降低。将上部煤层的巷道和工作面布置在下部煤层开采边界影响范围以内，即布置在煤岩层已发生充分移动变形的区域内，巷道和工作面处于应力已经转移的低应力区，可以显著降低支护难度，有效提高矿井的生产安全水平。53孙村煤矿工程实例问题的提出孙村煤矿-800m水平埋深达980m，其原岩应力中最大水平主应力与垂直主应力之比为1.34:1.0，属构造应力复杂区域。当受到采动影响后围岩应力将提高到原岩应力的3～8倍，对巷道维护带来严重困难。该矿上组煤的主采煤层为二、四层煤。二层煤平均厚度2.02m，四层煤厚度1.15-2.15m，层间距平均为22m，煤层顶底板以砂岩、粉细砂岩为主体；三层煤厚度平均为1.0m，局部可采，与四层煤之间的层间距为（6.0~28.0）/16.0m，与二层的层间距为（3.0~7.0）/5.0m。54覆岩裂隙带发育分带特征（井下探测研究）根据钻孔注水漏失量和钻孔岩芯鉴定结果与冲洗液漏失情况，可得到四煤采空区覆岩裂隙发育分带规律，即从四煤顶板为起点沿地层法向的分带发育特征为：0m~4.6m为冒落带；4.6m~7.2m为强裂隙带；7.2m~13.6m为中裂隙带；13.6m~19.1m为弱裂隙带；19.1~25.5m为弯曲下沉带。裂高为采高的13.6倍。55物理模拟研究模型56模拟结果1：四煤开采时老顶初次破断情况57模拟结果2：四煤开采时老顶周期破断情况58模拟结果3：四煤开采后二煤的赋存状态59模拟结果4：四煤上行开采条件下二煤采动时的情况60上行开采时上覆围岩活动特征①、覆岩运动与结构可明显地划分为冒落带，强、中、弱裂隙带及缓沉带。四煤冒落带高度为7.32m（采高m=2.