深部巷道围岩控制

深部巷道围岩控制深部巷道围岩控制1概述1.1背景和意义1.2“深部巷道”的概念1.3岩性与矿压显现2深部巷道围岩控制的基本途径2.1途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2途径二（改善巷道围岩力学性能）2.3途径三（提高巷道的支护阻力）2.4途径四（优化巷道断面）3深部巷道围岩控制的突出难点3.1深部巷道底鼓特征及控制原则3.2深部巷道蠕变特性及控制原则4控制技术汇总主要内容1.概述深部巷道围岩控制随着矿井开采深度、强度的增加，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩石抗压强度时，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，造成资源开采的极端困难，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。巷道维护困难已成为制约煤矿安全高效开采的瓶颈，巷道围岩控制是煤矿开采中急待解决的关键问题之一。深部软岩成为重点1.1背景和意义深部巷道围岩控制深部巷道与深井是两个不同的概念。一般认为：矿井深度大于800m为深井。而深部巷道是由矿井深度和岩性两个因素决定。矿井巷道由浅部过渡到深部的深浅部界限称为“极限深度”。围岩单轴抗压强度/MPa巷道极限深度/m2015020~30300~40030~60650~750601000极限深度以上支护简单、易维护；以下则明显困难。表1-1巷道极限深度表1.2“深部巷道”的概念深部巷道围岩控制垂直应力(Brown&Hoek,1978)开采深度岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。1.3岩性与矿压显现深部巷道围岩控制水平应力水平应力与垂直应力之比(Brown&Hoek,1978)开采深度埋深≤1000m，水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0埋深≥1000m，水平应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中，约为0.5-2.01.3岩性与矿压显现深部巷道围岩控制开采深度平均水平应力与垂直应力之比我国地应力测量结果1.3岩性与矿压显现深部巷道围岩控制主应力数值/MPa与东西方向夹角/与垂直方向夹角/与南北方向夹角/138.1326.5114.2100.1228.3563.928.579.331.6185.5104.114.8孙村矿地应力测试结果1.3岩性与矿压显现深部巷道围岩控制测试地点水平标高主应力/MPaP1/P2/P3主应力方向（夹角）/xyz3213面－46016.55108198513.653071112.5-1.926787.5231215W（石门）－46316.074745101.511.7742.8132823.5187.77613.7协庄矿地应力测试结果1.3岩性与矿压显现深部巷道围岩控制（1）塑性区、破碎区范围显著增加；（2)两帮和顶、底角破碎区显著增大，围岩变形显著增加；原因：水平应力增加，两帮煤软，角部应力集中。（3）底鼓严重；（4)持续蠕变。1.3岩性与矿压显现2.深部巷道围岩控制的基本途径深部巷道围岩控制2.1影响巷道围岩稳定性的因素经典的Kastner巷道围岩特性曲线方程：1sin2sin0(cot)(1sin)[]cotipcRapc200sin(cot)2upcRGa式中：R－塑性区半径；a－巷道半径；P0－原岩应力；Pi－支护阻力；c－岩石内聚力；φ－岩石内摩擦角；u0－巷道周边位移；G－围岩剪切模量。深部巷道围岩控制2.1影响巷道围岩稳定性的因素影响巷道围岩稳定性的主要因素有四：巷道所在位置的围岩应力（P0）、围岩力学性能（c、φ、G）、支护阻力（Pi）和巷道断面形式与尺寸，这也是控制巷道围岩变形的4个主要技术途径。0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.4550100150200250300350巷道周边弹塑性位移uo/mm支护强度pi/MPa煤砂页岩砂岩页岩石灰岩花岗岩468101214161820222402004006008001000120014001600巷道周边弹塑性位移u0/mm原岩应力p0/MPa煤砂页岩砂岩页岩石灰岩花岗岩050100150200250300350花岗岩石灰岩砂岩砂页岩页岩巷道周边弹塑性位移u0/MPacφ煤深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）随着巷道周边围岩应力增加，巷道表面位移及塑性区范围显著增大，降低巷道围岩应力对保持巷道围岩稳定具有重要作用。改善巷道围岩应力状态的主要技术途径包括：合理布置巷道、巷道围岩应力转移。深部巷道围岩控制（1）采动引起的应力重新分布(高抽布置)图2-1已采区及其两侧煤柱的应力分布Ⅰ－－冒落带；Ⅱ－裂隙带；Ⅲ－变曲下图4-1已采区及其两侧煤柱沉带；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2.2.1合理布置巷道时间、空间上减少巷道承受支承压力影响；巷道布置在应力降低区；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）深部巷道围岩控制图2-2留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.1合理布置巷道（双巷及迎采）深部巷道围岩控制图2-3煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布图2-4煤柱下方底板垂直应力等值线分布2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.1合理布置巷道深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.1合理布置巷道3905工作面3907工作面3905皮顺9号煤8号煤3805工作面（正回采）3807采空区3905回顺9m30m30m9m深部巷道围岩控制（2）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）如果需要留煤巷保护巷道，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。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.1合理布置巷道深部巷道围岩控制2.2.2巷道围岩应力转移巷道顶底板掘巷的应力转移关键技术煤层上行开采的应力转移关键技术底板松动爆破的应力转移关键技术巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术相关的应力转移技术2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）深部巷道围岩控制(1)巷道顶板掘巷的应力转移关键技术2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.2巷道围岩应力转移对深部巷道而言，在顶板中或底板中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。顶板或底板中开掘的大面积卸压带深部巷道围岩控制(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术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，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。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制垂直应力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。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移工业性试验方案蒋庄煤矿工程实例深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移蒋庄煤矿工程实例围岩变形实测（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。05101520-160-140-120-100-80-60-40-200204060测点距工作面距离/m位移/mm两帮底板深部巷道围岩控制(2)上行开采的应力转移关键技术基本原理：下部煤层先行开采后，上部煤层因处于裂隙带或缓沉带内，上部煤层的应力发生了转移，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该区域以内，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。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制上行开采理论计算模型：下部煤层可设定为带状无限长板，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。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(2)上行开采的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制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。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(2)上行开采的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(2)上行开采的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移孙村煤矿工程实例二煤处于中裂隙带上方、弱裂隙带底部，只产生离层裂隙及轻微的周期性斜交裂隙，二煤及其顶底板结构保持完整，不发生台阶错动。深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(2)上行开采的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移现场应用情况（1）在下行开采时，二煤工作面由于顶板压力大，煤壁片帮与机道冒漏顶现象十分严重，需要水力膨胀锚杆超前护顶、坑木穿顶，顶板管理极其困难，推进速度很慢。四煤采用上行开采后，二煤回采工作面复合顶板稳定，工作面无冒漏顶事故发生，平均原煤单产与推进速度提高到1.88倍，平均推进速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均单产由1.8～2.0万吨/月提高到4.2万吨/月左右，显著提高了工作面单产、降低了材料消耗。（2）二煤具有强烈冲击倾向，上行开采完全消除了冲击危险。（3）解决了原来二煤工作面推进慢，制约四煤开采的被动局面，缓解了采掘接续，大幅度提高了矿区煤炭产量与经济效益，矿井利税取得历史最好水平。孙村煤矿工程实例深部巷道围岩控制(3)底板松动爆破的应力转移关键技术在巷道底板中布置钻孔，并进行药壶爆破，在巷道底板中产生围岩弱化区，将集中应力转移到围岩较深部。2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制当发生内部爆破作用时，在围岩中形成爆破空腔、压碎圈、裂隙圈及震动圈。裂隙圈的大小是影响应力转移的关键因素2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）(3)底板松动爆破的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）与原绞车房不进行任何处理时的底鼓量相比，底鼓量明显降低，约为不进行处理时底鼓量的1/3。平顶山六矿工程实践示意图550m、泥岩、煤层围岩(3)底板松动爆破的应力转移关键技术2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制(4)巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术1——巷道掘进头2——应力转移钻孔1—掘进巷道2—超前钻孔3—钻孔前垂直应力分布曲线4—钻孔后垂直应力分布曲线2114322.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制(4)巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术2.2基本途径一（改善巷道围岩应力状态）分别打4、6、8、12、14、16m钻孔时，围岩高应力（30MPa、40MPa）位置的变化情况。应力转移效果相当明显。平顶山十一矿工程实践中不同钻孔长度时的应力转移效果比较：2.2.2巷道围岩应力转移深部巷道围岩控制2.2基本途径一（改善