7(第七章)准巷道矿压控制

第一节准备巷道围岩应力分布与矿压显现一、巷道围岩的应力分布状态（一）围岩应力分布与应力集中概念经采动的岩体，在巷道开掘以前，通常处于弹性变形状态，岩体的原始垂直应力P为上部覆盖岩层的重量γH（岩体的容重与埋藏深度的乘积）。在岩体内开掘巷道后，岩体内部会发生应力重新分布，即巷道围岩内出现应力集中。当巷道围岩应力小于岩体强度，这时岩体物性状态不变，围岩仍处于弹性状态。如果围岩局部区域的应力超过岩体强度，则岩体物性状态发生变化，巷道周边围岩产生塑性变形，并从周边向岩体深处扩展到某一范围，在巷道围岩内出现塑性变形区，同时引起应力向围岩深部转移。巷道塑性变形区和弹性变形区内的应力分布如图１所示。在塑性区内圈（A），围岩强度明显削弱，能够承担的压力显著降低，且低于原始应力γH，围岩发生破裂和位移，称破裂区，为卸载和应力降低区。塑性区外圈（B）的应力高于原始应力，它与弹性区内增高部分增高部分均为承载区，也称应力增高区。图１圆形巷道围岩的弹塑性变形区及应力分布p—原始应力；σt—切向应力；σr—径向应力；pi—支护阻力；α—巷道半径；Ｒ—塑性区半径；A—破裂区；Ｂ—塑性区；Ｃ—弹性区；Ｄ—原始应力区（二）支承压力及其形成准备巷道的矿压显现比不受开采影响的单一巷道要复杂得多，它的维护状态除取决于影响单一巷道维护的诸因素外，主要取决于采动影响，即煤层开采过程中采场周围的岩层运动和应力重新分布，对准备巷道的变形、破坏和维护的影响。采用长壁工作面采煤时，沿回采工作面推进方向，不规则垮落带处于松散状况，上覆岩层大部分呈悬空状态（图2和图3），悬空岩层的重量要转移到工作面前方和采空区两侧的煤体的煤柱上。此时在采空区为低于原岩应力γH的应力降低区，在工作面前方和煤柱上，出现比原岩应力大的增高应力（KγH），称支承压力，K为应力集中系数。回采引起的支承压力，不仅对本煤层的巷道布置危害很大，而且也严重影响布置在回采空间周围的底板岩巷和邻近煤层巷道。因此，减轻或避免支承压力的危害和影响以改善巷道维护状态，是选择巷道布置方式和护巷煤柱宽度的重要原则。支承压力是矿山压力的重要组成部分，研究支承压力控制问题有着极其重要意义。图2回采工作面前后方的应力分布Ⅰ—工作面前方应力变化区；Ⅱ—工作面控顶区；Ⅲ—垮落岩石松散区；Ⅳ—垮落岩石逐渐压缩区；Ⅴ—垮落岩石压实区；A—原岩应力区；Ｂ—应力增高区；Ｃ—应力降低区；Ｄ—应力稳定区；图3已采区及其两侧煤柱的应力分布Ⅰ—垮落带；Ⅱ—裂隙带；Ⅲ—弯曲下沉带；A—原岩应力区；B1、B2—应力增高区；C—应力降低区；D—应力稳定区回采工作面后方，随着采空区上覆岩层沉降，垮落岩石逐渐被压缩和压实，垮落带和底板岩层的压力恢复到接近原岩应力γH，采空区两侧煤柱的应力随之逐渐降低并趋向稳定，为应力稳定区。所以，煤柱上的支承压力，应力增高系数K，是随巷道某地段离正在推进的回采工作面的距离及采动影响时间的延续而变化的。(三)移动支承压力与固定支承压力煤层开采后，已采空地区上方岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带（图4）。工作面前方形成的超前支承压力，由于它随工作面推进而不断向前转移，故又称移动支承压力或临时支承压力。工作面沿倾斜和仰斜方向上下两侧及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过经一段时间后不再发生明显变化，故称为固定支承压力或残余支承压力。图4采空区周围应力重新分布的概貌１—工作面前方支承压力；２、３、４—沿倾斜、仰斜及工作面后方残余支承压力支承压力的显现特征通常以其分布范围、分布形式和峰值大小来表示,所谓峰值是指支承压力显现区内集中应力的最大值。对于移动支承压力，应力集中系数K＝2～4，对于固定支承压力一般K＝2～3。回采工作面推过一定距离之后，采空区上方岩层运动将逐渐稳定，采空区内的某些地点的冒落矸石也会逐渐受到压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支承。因此，在离工作面一定距离的后方采空区内，也可能出现峰值较小（K＝1～1.3）的支承压力，称为采空区支承压力，但采空区内大部分地点并不出现这种支承压力，即通常K＜1。除此之外，相邻的两个采空区所形成的支承压力会在某些地点发生互相叠加，通常称为叠加支承压力。叠合支承压力的峰值可能比原岩应力增高4～6倍（即K＝5～7），有时甚至更高。综上所述可知，由于煤层开采使采空区周围产生的各种支承压力的显现程度、峰值位置和分布范围是不同的。为了减轻或避免支承压力对巷道的危害和改善准备巷道维护，必须掌握回采工作面周围支承压力的分布规律，并了解它对准备巷道的影响特点。二、准备巷道支承压力分布与矿压显现（一）水平巷道围岩应力与矿压显现的规律掌握水平巷道围岩应力与矿压显现规律，对于正确选择巷道的支护型式，确定合理的支护参数，有效地控制巷道矿压、改善巷道维护有重要意义。下面以区段岩石集中平巷为例介绍水平巷道围岩应力与矿压显现的规律。区段岩石集中平巷在上部煤层回采的影响下，由于位置不同，巷道的受力状况和围岩变形有很大差别，按巷道与上部煤层回采空间的相对位置，将底板岩巷布置归纳为图5的六种情况，以上六种巷道在上部煤层采动影响期间的受力状况归纳如表1所示。图5受上部煤层采动影响的底板或邻近煤层巷道的布置方式图6受跨采影响的底板岩巷和邻近煤层巷道（图5中巷道Ⅰ）的围岩变形Ⅰ—掘巷引起的围岩变形区；Ⅱ—掘巷影响稳定后的围岩变形区；Ⅲ—工作面A跨采影响的围岩变形区；Ⅳ—跨采影响趋向稳定后的围岩变形区；图7底板岩巷和邻近煤层巷道的围岩变形Ⅰ—掘巷引起的围岩变形区；Ⅱ—掘巷影响稳定后的围岩变形区；Ⅲ—工作面A回采影响的围岩变形区；Ⅳ—回采影响趋向稳定后的围岩变形区；Ⅴ—工作面B回采影响的围岩区；Ⅵ—回采影响再次稳定后的围岩变形区；巷道从开掘到报废期间的围岩变形量。将Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三个采动影响时期的围岩变形量划分为由采动引起的附加变形量（图6、7）和采动影响稳定期间的变形量两部分（三）倾斜巷道围岩应力与矿压显现的规律下面以上（下）山为例介绍倾斜巷道围岩应力与矿压显现的规律。位于底板或邻近煤层内的上（下）山，在上部煤层采动影响下由于巷道布置方式和回采顺序不同，上（下）山的受力状况和围岩变形量有很大差别，按巷道与煤层回采空间的相对位置可将上（下）山的布置方式归纳成图8所列举的类型，位于煤层内用煤柱维护的上（下）山（图8a）及位于底板岩层或下部邻近煤层上方保留煤柱的上（下）山（图8b），通常将经受一侧采动影响、两側采动影响以及长期处于两侧引起的叠加支承压力影响。图8受采动影响的煤层或底板岩石上（下）山的布置方式１—上山；Ｂ—上（下）山煤柱宽度上（下）山位于底板岩层或下部邻近煤层上部工作面跨越上（下）山回采（不留煤柱），跨越方式如图8c所示，左翼工作面先回采到上山附近处停采，此时上山受一侧采动引起的支承压力影响，右翼工作面跨越上山前靠近上山时，上山两受到两侧采动引起的支承压力的叠加影响，上部煤层跨越上山后，上山便处于采空区下，若上山上方留设区段煤柱，则部分上山将长期处于两侧采空引起的支承压力重叠区下。上（下）山位于底板岩层或下部邻近煤层上部工作面跨越上（下）山回采（不留煤柱），跨越方式如图8d所示，右翼工作面在左翼工作面还远离上山时就跨越上山，这种布置方式，上山只受到右翼工作面跨采时引起的前支承压力影响，跨采后巷道便处于采空区下方应力降低区。图8受采动影响的煤层或底板岩石上（下）山的布置方式１—上山；Ｂ—上（下）山煤柱宽度采区上（下）山从开掘到报废，由于采动影响，围岩应力重新分布，巷道围岩变形会持续变形和增加。按照图8a、b、c的上(下)山布置方式，上(下)山的围岩变形将经过掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，一翼采动影响期间显著变形，然后又趋向稳定，以及另一翼再次采动影响期间强烈变形，再次趋向稳定六个时期。图8受采动影响的煤层或底板岩石上（下）山的布置方式１—上山；Ｂ—上（下）山煤柱宽度图9上（下）山上方保留煤柱布置方式的围岩变形图10上（下）山上方跨采（后到的工作面跨采）布置方式的围岩变形图8d的巷道布置方式，上（下）山的围岩变形只经过掘巷期间的明显变形，然后趋向稳定，跨采引起围岩显著变形，以及跨采之后围岩变形趋向稳定四个时期。三、影响准备巷道矿压显现的因素影响准备巷道矿压显现的因素可分为两大类，即自然条件和开采方法。（一）自然条件1．煤岩性质煤岩性质对巷道变形与破坏有决定性影响。例如，存在软弱岩石或膨胀性岩石，对巷道变形和破坏的性质和其剧烈程度有重要影响。巷道变形与破坏并非单纯取决于煤岩性质，与煤岩构造特征和岩体本身破坏状态有密切关系，其中影响最大和最普遍的是层理与节理。此外，顶板岩层的分层厚度、顶板中是否存在软弱岩层、以及软弱岩层赋存的位置和厚度，也对掘巷后的顶板动态和巷道变形破坏有重要影响。一般，巷道变形随煤岩强度增加而减少。2．地质构造地质构造影响主要是指断层、褶曲等影响。断层两侧通常存在大量断层泥和断层砾石等未经胶结成岩石的松散集合体，因此断层破碎带内物质之间的粘结力、摩擦力很小，自承能力差，一旦悬露很容易冒落，巷道处于这种地质构造破坏带，经常会发生不同程度的冒顶事故。3．采深开采深度直接影响巷道围岩中原始应力的大小。巷道顶底板移近量通常随采深加大而增加。其次，深部巷道容易出现底鼓现象，这对底板软弱的巷道尤为严重，所以底鼓问题成为深矿井巷道维护的难题之一。总之，随着采深加大巷道变形增加其维护更为困难。4.倾角由于围岩来压方向通常垂直于顶底板，故煤层倾角不同时，巷道主要受压方向不同，往往改变巷道变形破坏形式和使支架受载不均衡。如近水平煤层中的巷道，顶板多出现对称形弯曲下沉；而倾斜或急倾斜煤层中的巷道则常出现非对称形变形和破坏，而且当顶板中存在大倾角的密集光滑节理时，可能出现抽条式的局部冒顶。通常，位于大倾角煤层中的巷道顶部压力较小，而側向压力尤其是顶帮一側压力较大，常导致巷道鼓帮和棚腿产生严重变形。5．煤厚众所周知，煤厚越大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重，使受回采影响的准备巷道矿压显现越剧烈。6．水岩石受水后普遍有软化现象，使其强度降低。对于泥岩类软岩，遇水后会出现泥化、崩解、膨胀、碎裂等现象，从而可造成围岩产生很大的塑性变形。对于节理发育的坚硬岩层，水使受节理剪切的破碎岩块之间的摩擦系数减小，容易造成个别岩块滑动和冒落。同时水的存在又是巷道底臌的常见原因之一。7．温度温度升高会促使岩石从脆性向塑性转化，也容易使巷道围岩产生塑性变形，降低围岩承载能力。另一方面，因温度升高为降温需增加风量，进而要增加巷道断面，巷道围岩变形量与其断面尺寸成正比关系。（二）开采方法1、巷道布置围岩性质和其构造特征是影响巷道稳定性的最重要因素。在条件允许时，宜尽量将巷道布置在坚硬而稳定的岩层中。这种情况下，巷道往往可以使用较长时间而无需翻修。井下巷道中常见到由于软弱夹层强烈变形造成局部集中载荷而导致支架变形和损坏的现象。故布置巷道时应尽量避免巷道位于非均质的煤和岩体中。地质破坏区属于岩性不良的地区，这些地区可能存在残余的构造应力，或者该处的岩体完整性已遭破坏，甚至已散离为大小不等的松散岩块。在这些地带开掘巷道不仅巷道变形量大，而且很容易出现局部冒顶等事故。故应避免在地质破坏区布置巷道。另外，应将巷道布置在应力降低区2、开采顺序工作面回采顺序主要有：后退式、前进式两种，当采用走向长壁、区段内后退式开采时，上山将受到超前支承压力的影响，不利于上山的维护；当采用走向长壁、区段内前进开采时，上山将不受到超前支承压力的影响，利于上山的维护。区段间接替顺序有两种方式：区段跳采接替及区段依次接替，当采用跳采方式时，相邻区段采空后回采中间区段时，出现“孤岛”煤柱，煤柱下方底板巷道矿压显现剧烈。3、时间效应由于许多岩石具有流变性，所以即使巷道处于不变的静载荷作用下，随时间增长变形也会缓慢地增加。时间因素不仅对软弱岩石影响很大，而且对某些坚硬岩石有时也可能产生明显影响。故应加快工作面推进速度，减少巷道维护时间。4、巷道维护方法巷道维护是指对已进行过支护的巷道，为改善已恶化的维护状况和恢复其稳定性所采取