巷道支护基础理论

第1页巷道支护理论基础主要内容一、巷道支护基本理论二、煤巷锚杆支护关键技术三、煤巷顶板事故防治四、煤巷快速掘进技术1.巷道主要支护形式及其现状煤巷支护主要形式木支架工字钢支架U型钢支架锚杆支护巷道变形量大时上述支架难以满足支护要求木支架第2页优点：重量轻、加工容易、架设方便、有破坏信号缺点：强度低、易破坏、不防火、易腐蚀、风阻大适用条件：巷道服务期较短、压力小、断面积不大工字钢可缩性梯形支架井下应用埋深小于400m的煤巷，支护没有问题工字钢可缩性梯形支架结构工字钢梯形支架破坏形式U型钢可缩性拱形支架适用巷道：围岩比较稳定受动压影响变形200—500mm第3页U型钢拱形支架破坏形式严重变形拱形录像U型钢可缩性圆形支架适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定3受动压影响大4.变形大于400mm5.无底臌第4页U型钢方环形可缩性环形支架锚杆支护梯形巷道适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定3.受动压影响大4.变形大于800mm5有底臌适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定3.受动压影响大4.变形大于1000mm5有底臌锚杆支护拱形巷道第5页低强度普通的锚杆支护常用支架的破坏形式1.埋深小于400m的煤巷，支护没有问题---木支架、工字钢支架和U型钢可缩性支架2.埋深超过600m，传统支护不能适应---木支架和金属刚性支架彻底毁坏---U型钢可缩性支架严重变形---低强度锚杆支护不能满足巷道维护要求3.现代化采煤迫切需要高水平的锚杆支护2、巷道变形破坏原因分析错误!未找到引用源。1.巷道围岩条件差2.围岩应力大3.支护不适应岩石结构第6页开采煤层顶底板岩层特点埋藏深度100~1000m，压力250~2500t；绝大多数顶板有直接顶、老顶和直接底、老底。材料破坏机理第7页岩块单轴压缩两种破坏形态岩石与软钢应力－应变曲线第8页岩石循环加载曲线岩块轴向与横向应力应变曲线第9页三向应力试验泥岩三轴试验曲线第10页大理石三轴试验曲线点载荷试验第11页直剪试验岩石抗剪强度试验岩石抗拉强度试验第12页岩石试件主破裂面岩石破裂面极限莫尔圆包络线第13页莫尔圆物理意义应力状态的图示莫尔圆的定量关系第14页莫尔库仑准则三轴压缩极限应力圆第15页单轴压缩极限应力圆第16页共轭破裂面库仑准则第17页用强度准则判断稳定性斜直线型莫尔包络线第18页格里菲斯机理格里菲斯准则第19页地应力实测结果普氏地压假说错误!未找到引用源。第20页太沙基地压学说变形压力理论巷道影响区1.是指巷道周围岩体中由于掘进巷道而使应力比原岩应力发生明显变化(大于5％)的地区。2.该区的范围与矿山岩石的性质、开采深度、巷道的形状和尺寸等有关，一般影响范围的直径为巷道最大线性尺寸的2～4倍。第21页不同类型覆岩开采后的破坏情况错误!未找到引用源。1—冒落带;2—裂隙带a—覆岩为软岩层;b—覆岩为中硬岩层;c—覆岩为坚硬岩层开采后上覆岩层分区与分带A—煤壁支撑影响区(a—b);B—离层区(bc);C—重新压实区(cd);I—冒落带;II—裂隙带;III—弯曲下沉带;—支撑影响角工作面周围应力集中第22页两相邻采空区周围的应力分布开采形成的支承压力第23页老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布A—应力增高区;B—应力降低区;C—应力不变区煤巷上方应力升高第24页1.围岩松软破碎；2.受采动强烈影响，地应力大；3.巷道剧烈变形；煤柱底板应力分布第25页英国煤柱应力测量结果煤柱应力圆形巷道受均布载荷围岩应力第26页圆形巷道受不等载荷围岩应力第27页椭圆巷道周边应力矩形巷道周边应力第28页圆形巷道塑性区分布层状围岩巷道塑性区分布第29页层状围岩巷道围岩区分布规律(a)―实体煤巷道；(b)―煤柱巷道；(c)―沿空巷道；(d)―无直接顶、底的煤柱巷道。分布状态：(a)―“＊”型；(b)、(c)―半“＊”型；(d)―缺上（或下）的半“＊”型。与圆形巷道、基本巷道分布状态不同，是研究动压、软岩巷道矿压的基础。塑性圈在集中应力作用下，当巷道围岩所受应力超过其屈服强度时，就会产生塑性变形，在巷道周围形成一个塑性变形区，其边界称为塑性圈。圈内岩体的基本特征是裂隙增多。由于塑性圈内岩石逐渐松弛，而丧失部分承载能力，使原来巷道周边附近岩石承受的一部分应力转移给邻近的一定深度的岩体，因而塑性圈也随之逐步扩展到岩体内的一定深度。松动圈巷道周围岩体发生破裂和松动的区域，通常称为松动圈。第30页其范围一般为0.5~1.5m，它与岩体性质及抗压强度等有关。松脱压力由于地质弱面的切割、采动引起的离层或岩块冒落等原因所造成的松散岩体作用于支护结构物上的压力，称散体地压或松脱压力。当支护结构不能有效地限制围岩变形的发展，而在周围岩体内形成松动圈时，往往导致松动围岩压力的出现。松脱压力可采用松散介质极限平衡理论或块体极限平衡理论进行分析和估算。变形压力是指由于围岩产生指向巷道(硐室)的位移时挤压支护体而造成的压力。它在围岩与支护体相互作用过程中施加于支护体上。在“围岩–支架”力学体系中，只要围岩变形而支护体又限制其变形，围岩就对支护体施加变形压力。变形压力和支护体的刚度有关。在一定的条件下，支护体刚度越大，变形压力也越大。围岩变形不仅包括弹性变形，塑性变形，而且还包括与时间有关的流变变形。对于松软岩体尤为明显，其值远比弹、塑性变形大，而且随时间而不断增加,因而支护体所受到的变形压力也不断增加。膨胀压力是指由于围岩吸水发生膨胀而对支护体产生的压力。这种压力实质上是变形压力的一种，只是它因含有大量蒙脱石等膨胀性矿物的粘土岩所特有的一种围岩压力。冲击压力又称矿山冲击、冲击地压、岩爆等，是矿压显现的动力现象之一。它是在集中应力作用下，煤、岩体内积聚的弹性应变能在一定条件下突然释放，使煤、岩体发生急剧脆性破坏或大块煤体突然向已采空间抛射的现象。巷道影响区1.是指巷道周围岩体中由于掘进巷道而使应力比原岩应力发生明显变化(大于5％)的地区。2.该区的范围与矿山岩石的性质、开采深度、巷道的形状和尺寸等有关，一般影响范围的直径为巷道最大线性尺寸的2～4倍。巷道围岩稳定性错误!未找到引用源。1.是指各种地下工程在施工和使用中，巷道(或硐室)周围岩体稳定程度。2.它与岩体性质、地质构造、地应力、回采动压、地下水、巷道跨度与形状及施工方法等许多因素有关。巷道围岩变形是其稳定性的反映，是各种影响因素综合影响的结果。工程条件变化频繁，不确定性强，同一条巷道，类别相差1~2个级别：绝对变形量达到500~1500mm以上，一般为岩巷的几倍到几十倍高于自重应力数倍的强烈采动高应力作用巷道工程量大，服务时间短支护对象：破裂煤岩体。顶板岩石松软、破碎，节理、层理发育；两帮煤体既松软又性脆；围岩锚固性能差；煤巷破坏原因第31页3.巷道矿山压力显现的基本规律巷道掘进阶段（Ⅰ）掘进巷道仅对小范围岩体造成扰动，故一般情况下矿压显现不会很剧烈.无采掘影响阶段（Ⅱ）顶底板移近速度比掘进期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。采动影响阶段（Ⅲ）采动影响是由于回采工作引起围岩应力再次重新分布而造成的。这阶段中矿压显现也最强烈。二次采动影响阶段（Ⅴ）二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，但由于这种情况下巷道受到下区段工作面超前支承压力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用，二次采动影响的剧烈程度和影响范围都会比一次采动影响稍大。采动影响稳定阶段（Ⅳ）这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定的阶段，故其围岩移动特征基本上与无采掘影响阶段类似。围岩不均匀的整体下沉和局部上升大面积开采、动压和不同护巷方式引起高应力区下沉、应力降低区上升。移近量曲线第32页图1相似材料模拟试验结果u1、u2、u3、u4、u5——下沉曲线D1、D2、D3——破断曲线巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升第33页巷道两帮下沉引起底鼓两帮下沉、底角破坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、离层。（a）（b）图2两帮下沉与底鼓关系（a）——东庞矿（中硬岩）；（b）——黄塘岭矿（软岩）权台矿现场实测浅部鼓起，深部下沉；与采煤工作面距离不同而变化。巷道底板深基点位移巷道底板垂直位移No——垂直位移为零；N——零应变点力学分析（1）Q(y)作用下M点的位移根据弹性力学理论，平面应变条件下的半无限平面体，Q(y)dy载荷作用下M点的垂直位移分量dux第34页图5力学计算简图222222]arctan)21()ln()1[(d)()()1(dyxxyIyxxyxyyQyxExuxQ(y)作用下，M点的垂直位移ux等于式（1）在[a,b]区间上的积分。yySSySyyQyxExyyxxyxyyQyxExuubababaxxd]arctan)21()(ln)1)[(()()1(d]arctan)21()(ln)1)[(()()1(d22222222(2)煤柱巷道底板等效载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布简化的载荷分布底板中心线上的垂直位移第35页各区段分布载荷在巷道底板中心线上引起的垂直位移巷道底板中心线上总的垂直位移巷道支护主要原则1-围岩位移曲线；2–支架工作特性曲线；3–围岩松动破坏后的位移曲线；A、B、C–支架可能的工作点；Pmax、Pmin——支架承受的最大承载力和最小承载力；Δumax——允许围岩最大位移量合理利用巷道围岩的自承力为了利用围岩的自承力，就要容许围岩产生某些变形。这种变形会使围岩中的能量得到一定释放，从而起到一定的“卸载作用”，这将有利于减轻支架受载。但应当注意的是，第36页这种变形应是有限制的。合理选择支架工作点合理利用围岩自承力的途径是使支架与围岩在相互约束的状态下共同承载，即在不导致围岩松动破坏的前提下，既充分利用围岩的自承力，又使支架提供的支护阻力最小。为此，应确定某一条件下，巷道支架的合理工作点。B点是支架的最佳工作点。为有一定安全储备，设计时，应使支架工作点保持离B点不远。第37页提高围岩自承能力利用物理法和化学法加固围岩是提高其自承能力的有效措施。前者一般是将不同结构类型的锚杆打入煤或岩体内部，加固围岩；后者是将粘结剂注入煤或岩体内部，通过充填和固结煤或岩体中的裂隙和各种弱面，使之成为一个整体，达到增强围岩自承能力的目的。选择合理的支护方式与参数巷道的支护方式与参数应符合支架与围岩共同承载的原理。要根据具体条件，在刚性支架、可缩性支架、锚杆支护中进行合理的选择。刚性支架，一般只适用于顶底板移近率10％的条件。采区巷道中大多数情况下要用可缩性支架或锚杆支护。第38页4、改善巷道支护面貌的基本途径（1）合理布置巷道（2）提高围岩强度（3）减小岩体应力（4）巷道支护（1）巷道布置的原则1）空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。2）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。3）采用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可能小。4）如果需要留煤桂保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受支承压力影响或影响较小。5）避免在煤柱上、下方布置巷道。合理选择底板岩巷与煤柱边缘的水平距离X、与煤层垂直距离Z。6）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。7）巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之垂直。煤层底板支承应力分布已采区及其两侧煤柱的应力分布Ⅰ－－冒落带；Ⅱ－裂隙带；Ⅲ－弯曲下沉带；A－原始应力区；B1、B2－应力增高区、C－应力降低区；D－应力稳定区第39页巷道布置在低压区煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布γ－上覆岩层容重；H－埋藏深度：φ－底板岩石应力升高区的扩展影响角；Z－被跨巷道与上部回采煤层间的法线距；X-被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距（2）提高围岩强度布置在稳定岩层中；布置锚杆，强化围岩强度；围岩注浆，提高岩体强度；封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降低注浆加固围岩注浆材料（1）材料类别化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆；ZK