巷道围岩应力控制技术

32
煤层上行开采应力转移原理与技术
模拟结果1：四煤开采时老顶初次破断情况
33
煤层上行开采应力转移原理与技术
模拟结果2：四煤开采时老顶周期破断情况
34
煤层上行开采应力转移原理与技术
模拟结果3：四煤开采后二煤的赋存状态
35
煤层上行开采应力转移原理与技术
模拟结果4：四煤上行开采条件下二煤采动时
高应力巷道 围岩应力转移理论与技术
高应力巷道围岩应力转移理论与技术
主要内容
引言 顶板掘巷应力转移原理与技术 底板掘巷的应力转移原理与技术 煤层上行开采的应力转移原理与技术 巷道底板松动爆破应力转移与注浆加固技术 巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术
国内外其它技术
2
引 言
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。
31
煤层上行开采应力转移原理与技术
物理模拟研究模型
卸压巷主要参数的研究模型
27
底板掘巷应力转移原理与技术
工业性试验方案
28
底板掘巷应力转移原理与技术
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20 mm之内。 （3）底鼓量在10 mm左右。
20
15
位移 /mm
10 两帮 底板 0 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160
36
煤层上行开采应力转移原理与技术
应力转移后上部煤层巷道围岩变形曲线
受采动影响时
37
煤层上行开采应力转移原理与技术
应力转移后对上部煤层工作面的影响

（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，生产十分被动。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。
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。
9
引 言
4.高应力巷道特点
矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围
1.大变形巷道难维护的原因
岩松软破碎：单轴抗压强度<10～20MPa 深井（自重应力） 高应力 采动应力（原岩应力的3～6倍） 构造应力 松软破碎＋高应力
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 言
2.高应力巷道类型
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
第四类，上述三类巷道的复合型
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。
8
引 言
我国是世界产煤大国，也是用煤大国。我国煤炭储量
大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的储量
分别占到73.19 % 和53.17 %。
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。
30
煤层上行开采应力转移原理与技术
2.孙村煤矿工程实例
问题的提出
孙村煤矿-800m水平埋深达980m，属于深部开采范畴。不仅
如此，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，倾角一般为19°～25°。

（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。
38
煤层上行开采应力转移原理与技术
经济效益
时期 2001 年 项目 新增产值（万元） 新增利税（万元） 增产 煤吨 节约 增产 401,170.00 415,826.00 416,000.00 1232996 9,340.10 4,666.68 10,189.20 5,090.92 10,932.20 5,800.04 30461.5 15557.64 2002 年 2003 年 三年累计
电机硐室
1 3 南翼一 部强力 皮带机 巷
3下307
材料巷
3上307
材料巷
25
底板掘巷应力转移原理与技术
应力转移技术对围岩的控制效果比较
项 目 不掘卸压巷 采动前 底部掘巷 不掘卸压巷 采动后 底部掘巷
底 鼓 33.78（1） 0.6399（0.02） 158.8（1） -15.87（*）
顶板下沉 44.05（1） 18.45（0.42） 193.4（1） 144（0.74）
29
5
测点距工作面距离 /m
煤层上行开采应力转移原理与技术
1.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、缓沉带，上部煤层处于裂隙带
或缓沉带内。
此时，上部煤层的应力发生了转移，下部煤层采空区上方的应
力基本转移到周围煤体上，因而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，
10
引 言
5.大变形巷道围岩控制的技术途径
巷道围岩控制的基本原理如下式。
p c ctg 1 sin R a pi c ctg
1 sin
1sin 2 sin
a sin ( p c ctg ) (1 sin ) u 1sin 2G ( pi c ctg ) 2 sin
15
顶板掘巷应力转移原理与技术

胶带输送机硐室与回采工作面的关系
16
顶板掘巷应力转移原理与技术

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8×2 m2卸压巷 方案三：硐室顶部开掘12×2 m2卸压巷 方案四：硐室顶部开掘16×2 m2卸压巷 方案五：硐室顶部开掘20×2 m2卸压巷
PH 4 Rk ( ) rb S0
1
压碎区半径Rc为：
Rc Rk (
m C
5S c
1 e
2 p
)
1 2
裂隙圈半径Rp为：
e Pc Rp ( ) ST
1sin 2 sin
传统的控制方法主要是：其一，提高围岩强度（如注 浆加固、锚注等）；其二，合理的支护技术（如砌碹、 架棚、锚网等）。
11
引 言
分别研究周边位移u0与围
岩性质（c、φ）、支护阻
力Pi及围岩应力P0的关系 得到：
12
引 言
由上图可见，围岩应力的改善对巷道围岩变形控制 的效果最为明显。 据此，提出本研究成果——应力转移理论与技术， 是从引起巷道围岩变形破坏的力学环境为着眼点， 以控制巷道围岩应力为中心，将高应力转化为低应 力，这样可以显著减小巷道围岩塑性区和围岩变形 量，达到实现巷道围岩稳定的控制目标。
13
顶板掘巷应力转移原理与技术
1.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
14
顶板掘巷应力转移原理与技术
2.鲍店煤矿工程实例

胶带输送机硐室与回采工作面的关系
兖州矿业集团公司鲍店煤矿矿井北翼布置一条轨道大巷和一条胶带
运输机大巷，轨道大巷布置在－430水平，胶带运输大巷高于轨道 大巷5 m，两巷水平间距30 m。胶带输送机硐室位于1306工作面南
左帮变形 26.58（1） 37.02（1.39） 124.6（1） 216.6（1.74）
右帮变形 25.29（1） 41.24（1.63） 124.8（1） 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。
26
底板掘巷应力转移原理与技术
39
底板松动爆破应力转移与注浆加固技术
1.基本的应力转移原理
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。
40
底板松动爆破应力转移与注浆加固技术
2.松动爆破的关键技术
爆破的内部作用原理
当发生内部爆破作用
时，在围岩中形成爆
破空腔、压碎圈、裂
全矿井的生产。
23
底板掘巷应力转移原理与技术
胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面平面位置对照图
24
底板掘巷应力转移原理与技术
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
56500
南翼二部强力皮带机巷 扩刷后轮廓线
2 2
1
3
转载机巷
操作室
原巷道轮廓线 皮带中心线 张紧绞车硐室
17
顶板掘巷应力转移原理与技术

研究结果一：对控制围岩变形的影响
方案
底鼓量（mm） 比值
1
201 1
2
170
3
135
4
102
5
67
0.85 0.68 0.51 0.33
18
顶板掘巷应力转移原理与技术

研究结果二：对围岩应力场的影响
19
顶板掘巷应力转移原理与技术

顶部卸压巷设计方案
20
顶板掘巷应力转移原理与技术

现场实测分析
2
1－顶底 2－两帮
位移速度
1
1
2
21
底板掘巷应力转移原理与技术
1.底板掘巷的应力转移原理

简单模型
22
底板掘巷应力转移原理与技术
2.蒋庄煤矿工程实例
问题的提出
蒋庄煤矿设计生产能力为150万t/a，是枣庄矿业集团公司
的骨干生产矿井。该矿自1989年6月投产以来，至今已生
产原煤2000多万吨，由于生产强度的不断加大，造成生 产接续紧张，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
侧50 m处，其与邻近巷道的位置关系如图3-3所示。该硐室及其大巷
均处于二迭系山西组3#煤层底板泥岩或粘土页岩中，与3#煤层间距 为28 ~ 60 m。矿井北翼的生产采区都按倾斜长壁采煤法布置并使工 作面跨大巷仰斜开采。该采区内，3#煤层为主采煤层，其平均厚度 为9 m，分3层开采，分层采高2.8 ~ 3.0 m。
很大，蠕变严重。巷道围岩变形少则几百毫米，多达 1.0~2.0m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特 别是它们的两类或三类的复合型，问题更为突出。严重时， 在巷道掘进或使用期间将会在巷道中引发煤与瓦斯突出，
甚至岩爆等动力灾害，严重威胁矿井的安全生产。这不但
造成巷道支护成本高，而且造成煤炭资源开采的极端困难， 严重威胁着矿井的安全生产。这种局面将成为我国煤矿今 后必须长期面对的开采技术难题。
4
引 言


动压巷道
煤层开采引起的采
动应力通常在原岩
应力的3~10倍左
右，将造成回采巷 道、受跨采影响等 巷道的严重破坏。
5
引 言


软岩巷道
是指在工程力作用下能产生显著显著的塑性变 形和非连续变形的巷道。工程力指作用在巷道 围岩的力之和，包括自重应力、残余构造应力 、水的作用力，采动影响力及膨胀应力等。
隙圈及震动圈。
裂隙圈的大小是影响
应力转移的关键因素
41
底板松动爆破应力转移与注浆加固技术
炮孔深度的确定
W h L sin
式中：W—装药的临界深度，m； h—预留的完整岩体厚度，m； θ—炮孔与巷道底板所夹的锐角，º 。
42
底板松动爆破应力转移与注浆加固技术
三区半径计算
空腔半径Rk为：
6
引 言


深井巷道
根据我国煤矿的巷 道支护技术水平和 地质条件，一般将 800m作为深部开采 的标准，部分软岩 矿井的深部开采标 准可定为600m或更 浅。
7
引 言
3.深井软岩成为重点
我国国有大中型煤矿开采深度每年约以9 m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，