矿山压力与岩层控制

矿山压力与岩层控制7巷道矿压显现规律7.1巷道围岩应力及变形规律7.2受采动影响巷道矿压显现规律7.3巷道围岩控制原理7.4本章小结7.1巷道围岩应力及变形规律7.1.1受采动影响巷道的围岩应力（1）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，围岩仍处于弹性状态，围岩应力可用弹性力学方法按平面应变问题计算。双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图7-1所示。图7-1圆形巷道围岩弹性变形应力分布如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质，巷道围岩应力分布如图7-2所示。在塑性区内圈（A）围岩强度明显削弱，低于原始应力γH，围岩发生破裂和位移称为破裂区，也叫卸载和应力降低区。塑性区外圈（B）的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力增高区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。图7-2圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布A—破裂区；B—塑性区；C—弹性区；D—原始应力区巷道的稳定性和周边位移主要取决于岩层原岩应力P，反映岩石强度性质的内摩擦角φ和粘聚力C等。它们之间的关系为：①巷道的周边位移u随巷道所在位置原岩应力的增大，呈指数函数关系迅速增长；指数的大小取决于φ的变化，φ值越小，指数越大，u值增长愈迅速。②巷道的塑性区半径R和周边位移u随内摩擦角φ和粘聚力C的减小，即围岩强度降低，显著增大。（2）回采工作面周围支承压力分布煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道，它的维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外，主要取决于采动影响。煤层开采以后，采空区上部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7-3）。图7-3采空区应力重新分布概貌1—工作面前方超前支承压力2、3—工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力4—工作面后方采空区支承压力支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩铅直应力的比值。支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。目前，上述参数主要由现场实测取得。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相当于2～3.5倍回采高度。影响范围为40～60m，少数可达60～80m，应力增高系数为2.5～3。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达35～40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。采空区支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。例如，在上下区段之间，上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高(图7-4)。图7-4煤层凸出角处叠加支承压力（3）采动引起的底板岩层应力分布煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围煤体（柱）上造成应力集中，还会向底板深部传递，在底板岩层一定范围内重新分布应力，成为影响底板巷道布置和维护的重要因素。沿工作面推进方向或沿工作面倾斜方向取纵向剖面，煤层底板岩层仍然相当于一个半无限体。按平面应变问题处理，计算覆岩在煤体上和已压实的冒落矸石上的支承压力引起的底板岩层应力，其最大主应力σmax的应力增高系数等值线分布见图7-5。图7-5a表示上部煤层单侧采动引起底板岩层内应力分布，图7-5b表示上部煤层两侧采动遗留保护煤柱引起底板岩层内应力分布。如图所示，除了在煤柱下方底板岩层一定范围内形成应力增高区外，位于煤柱附近的采空区下方底板岩层一定范围内形成应力降低区。伴生出水平方向的压缩和膨胀，出现水平应力升高区和卸压区。采空区下方底板浅部卸压甚至出现拉应力，岩层强度已大为减弱。位于应力降低区内的底板巷道，与上部采空区及煤柱边缘之间应保持一定距离。(a)(b)图7-5遗留保护煤柱引起底板岩层内应力分布a—上部煤层一侧采动b—上部煤层两侧采动7.1.2相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定（1）巷道围岩应力影响带巷道开掘以后，巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰乱的区域称为影响带，一般以超过原岩应力值的5％作为影响带的边界。如果相邻巷道的应力影响带彼此不重叠，可以忽略巷道间的相互影响。如果相邻巷道的应力影响带彼此重叠，但没有到达相邻巷道，可进行巷道围岩应力值的叠加。在静水压应力场中，弹性变形巷道的应力影响区域形状为半径等于6r的圆（r为巷道断面半径）。在非静水压应力场中，巷道的应力影响区域形状不再是圆形，一般为长轴不大于12r的椭圆。因此，断面相同两圆形巷道的间距D为6r＜D＜12r半径不同两圆形巷道的间距D为6R＜D＜6（r＋R）如果巷道周边形成塑性变形区，相邻巷道的应力影响带不宜超过塑性变形区与弹性变形区的交界面。（2）巷间岩柱的稳定性岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩柱强度。当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时，岩柱是不稳定的。岩柱的强度主要由组成岩柱的岩体强度、岩柱的宽度和高度及总的构造特征决定。已为大量现场资料所验证的经验公式有Obert-Dwvall/Wang(1967)和Bieniawski(1968)公式：hBRRC222.0778.0hBRRC36.064.01式中R—岩柱强度，MPa；RC—原位临界立方体单轴抗压强度，MPaB—岩柱宽度，m；h—岩柱高度，m。RC1—临界尺寸岩柱的强度，MPa。（3）相邻巷道间合理距离我国煤矿目前采深条件下，大巷间的距离以20～40m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，大巷间距可减小至10m；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可增大至50m。上下山及集中巷间距以15～30m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，上述距离可减小到10m，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应扩大到40～50m。平行巷道相互影响系数K1沿走向巷道围岩强度/Mpa沿倾斜巷道围岩强度/Mpa所布置巷道距地表深度/m306090＞120306090＞120＜3003.5～22～1.61.5～1.31.2～11.81.51.21300～6004～2.52～1.81.7～1.51.4～1.22.21.81.51.2600～9004.5～32.5～221.71.6～1.42.62.11.71.4900～12005～3.53.5～32.5～21.8～1.632.521.5＞12005.5～44～3.53～2.32～1.83.42.92.41.7表7-2巷道相互影响系数前《苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程》规定：D＝（a1＋a2）K1a1＋a2—相互影响的巷道总宽度，mK1—巷道相互影响系数7.1.3构造应力对巷道稳定性的影响（1）构造应力构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。(2）水平应力对巷道稳定性的影响水平应力是影响巷道顶板冒落、底板臌起、两帮内挤的主要因素。顶板岩层在水平应力作用下可能出现两种破坏形式：一是薄层页岩类岩层沿层面滑移，二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。水平应力作用下顶板的破坏a-薄层页岩顶板b-厚层砂岩顶板水平应力作用下巷道底鼓水平应力作用下巷道两帮破裂（3）合理的巷道布置方向巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。因此，在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。图7-6巷道轴向与构造应力成一定角度时周边应围岩应力计算简图图7-7巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应力分布a—平行构造应力；b—垂直构造应力巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳定性影响最小；巷道轴向与构造应力方向垂直时，影响最大。构造应力对巷道稳定程度的影响，主要随α角正弦的平方值变化，如果α角小于250～300时，构造应力对巷道稳定性的影响无明显变化。7.1.4受采动影响巷道的围岩变形（1）巷道围岩变形量的构成巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板臌起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。（2）巷道围岩变形规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段（图7-8）。图7-8区段平巷围岩变形(1)巷道掘进影响阶段煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道埋藏深度和围岩性质。(2)掘进影响稳定阶段掘巷引起的围岩应力重新分布趋于稳定，由于煤岩一般具有流变性，围岩变形还会随时间而缓慢增长，但其变形速度比掘巷初期要小得多。巷道的围岩变形速度仍取决埋藏深度和围岩性质。（3）采动影响阶段巷道受上区段工作面（A）的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面（A）后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。（4）采动影响稳定阶段回采引起的应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低，但仍然高于掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不断缓慢地增长。矿压显现带各带内顶底板移近速度/mm／d各带移近量所占比值Ⅰ掘进影响带Ⅱ无采掘影响带剧烈区每天由几毫米至几十毫米，稳定期一般＜1多数情况为0.2～0.5，有时至1左右。Ⅲ采动影响带前影响区Ⅲ1后影响区Ⅲ2Ⅳ采动影响稳定带Ⅴ二次采动影响带由每天几毫米至十几毫米一般20～30，少数情况达40～60多数情况＜1，有时达1～2由每天十几毫至二十几毫米，可达到三十几毫米10～15％50～60％5～8％20～25％（5）二次采动影响阶段巷道受本区段回采工作面（B）的回采影响时，由于上区段残余支承压力，本区段工作面超前支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力又一次重新分布，塑性区进一步扩大，应力的反复扰动使围岩变形比仅受一次采动影响时更加强烈。表7-3采区平巷不同矿压显现带内顶底板移近规律7.2受采动影响巷道矿压显现规律7.2.1巷道位置类型根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同，巷道位置可以分为以下几类：（1）与回采空间在同一层面的巷道称为本煤层巷道，分析本煤层巷道位置时，仅考虑回采空间周围煤体上支承压力的分布规律，可作为平面问题处理。（2）与回采空间不在同一层面，其下方的巷道称为底板巷道，分析底板巷道位置时，应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律，按空间问题处理当然，位于回采空间所在层面上方的巷道称为顶板巷道。（3）厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采面的采动影响。分析这类巷道位置时，依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系，综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。7.2.2区段巷道的位置和矿压显现规律1）区段巷道的布置方式根据区段回采的准备系统，区段巷道可分成三种布置方式。（1）位于未经采动的煤体内，巷道两侧均为煤体，称为煤体-煤体巷道(图7-9Ⅰ)。图7-9区段巷道布置方式示意图a—煤柱护巷；b—无煤柱护巷（2）巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，保护煤柱一侧的采面采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体-煤柱巷道（采动稳定）(图7-9Ⅱ1)；与保护煤柱一侧的采面区段巷道同时掘出，保护煤柱一侧的采面回