矿压-8巷道维护原理与支护技术

图8-31 拱形支架断面基本参数
表8-4 我国拱形支架断面基本参数推荐值
基本参数 R 2 ／R1 α H α α
3 4 1
选择范围 1.0～1.4 90～140 ≤1000 0～15 ＜16 400
备注 R 2 －R1 ≤800 mm 支架节数增加，相应加大
（0 ） / mm （0 ） （ ）
0
图8-36 环形可缩性支架 a—方环形；b—长环形
三、巷道支架选型 1．金属支架的承载能力
金属支架的承载能力分极限承载能力和实际 承载能力。极限承载能力是指支架处于刚性状态 下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑性变 形为标准。实际承载能力是可缩性支架在收缩阶 段表现出的承载能力，由连接件和支架的工作状 况决定。
3．巷道围岩松动爆破卸压法的应用
图8-20
松动爆破卸压钻孔布置
三、利用卸压巷硐进行巷道卸压 利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保 护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两 侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移 附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应 力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于 开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。
② ③ 2L＞B＞L时，见图8-5。 B＜L时(图8-6）,受两侧采动影响时，K值可达到 4～5以上。
图8-4 煤柱宽度很大时弹塑性变 形区及垂直应力分布
Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区； Ⅲ—中部为原岩应力的弹性区
图8-5 煤柱宽度较大时弹 塑性变形区及垂直应力分布
Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区； Ⅲ—应力升高的弹性区
图8-22 胶带输送机硐室顶部卸压
1－输送机硐室；2—卸压巷道；3—松动爆破区
图8-23
本煤层沿顶板布置卸压巷道卸压
表8-3 卸压前后巷道围岩变形参数对比
最大变形速 参数 度/mm·d-1 顶底 卸压 不卸压 卸压／ 不卸压 40％ 30％ 31.7％ 76.3％ 30.8％ 51.2％ 39.0％ 64.6％ 29.7％ 51.7％ 79 199 两帮 76 256 顶底 20.1 63.5 工作面前 50m 工作面前 120m
B x0 2m x
二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系
(1) 在巷道整个服务时期，随采面不断前移， 通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响 方式和程度差异悬殊。 (2) 沿空巷道顶板岩层处于采空区上覆岩层 结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断 裂成弧形三角板。 (3) 沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结 构对巷道围岩稳定性影响最显著,老顶一般 可视为亚关键层。
二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压
1．巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响
图8-17 切缝对圆形巷道周边应力分布的影响 （边界元数值模拟结果）
a—无切缝；b—两帮切缝； c—顶底切缝； d—两帮及顶底同时切缝
2．巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用
图8-18
钻孔卸压现场试验结果
1—未卸压 2—卸压钻孔深8m 3—卸压钻孔深9m
注：Ⅱ、Ⅲ分别 为可缩性支架、 刚性支架工作特 性曲线。这是支 架固有的。
图8-27 Ⅰ为支架与围岩的相互作用关系曲线
A—弹塑性阶段 ； B—松动破裂阶段
4．“支架-围岩”相互作用原理的应用
依据“支架-围岩”相互作用原理，在巷道 支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：
（1） （2） （3）
实行二次支护 采用柔性支护 强调主动支护
回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值B/m
巷道埋藏深度/m 400 24 30 39 500 27 35 48 600 30 42 53 700 33 47 58
μ为巷道 顶底板移 近率；x 为护巷煤 柱宽度
图8-10 μ-x关系曲线示意图
（三）
沿空掘巷的矿压显现
1．沿空掘巷的围岩应力和围岩变形
图8-11 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布
1 2 B B D H 4 D ctg RC 0.778 0.222 h 1000 B

1 2 B B D H 4 D ctg RC1 0.64 0.36 h 1000 B
-1
工作面前 50m
工作面前 120m
平均变形速度/mm·／d 两帮 38.4 50.3 顶底 34.7 112.7
围岩变形量/mm 两帮 51.0 99.7 顶底 916 2347 两帮 1267 1962 顶底 386 1300 两帮 515 997
3、宽面掘巷卸压
宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道 掘进时把巷道两侧6～8m宽的煤采出，将掘巷过 程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的 空间。
图8-24
宽巷（面）掘进卸压
1—宽巷（面）掘进卸压后支承压力分布；2—侧巷
四、掘前预采的应用
图8-25 掘前预采巷道布置示意图
第三节
巷道金属支架
一、巷道支架支护原理
巷道支架的工作特征与地面工程结构的特 性有着根本性区别。支架受载的大小不仅取决 于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特 征），而且与其支护对象—围岩本身的力学性 质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相 互作用关系。
二、巷道金属支架 （一） 矿用支护 U型钢
图8-28
新U25型钢断面图
图8-29 双槽形夹板式连接件 a—上限位连接件；b—中间连接件；c—下限位连接件 1—上限位块 2—下限位块
图8-30 拱形可缩性金属支架基本结构类型
a—三节式；b—四节式；c—五节式； d—曲腿式；e—非对称式；f—封闭

（二）
煤柱的应力分布
1．一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布
图8-3
煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布
1—弹性应力分布；2—弹塑性应力分布；Ⅰ—破裂区； Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力升高部分；Ⅳ—原始应力区
2．两侧采空煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布 两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决 于回采引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B，主 要有三种类型： ① B＞2L时（图8-4）
图8-15
沿空留巷工作面巷道平面布置图 b—倾斜长壁沿空留巷
a—走向长壁沿空留巷
五、沿空留巷巷旁支护形式
1． 巷旁支护的作用
巷旁支护是指在巷道断面范围以外，与采 区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构 筑物。 主要作用：控制直接顶的离层和及时切断直接 顶板，使垮落矸石在采空区内充填支撑老顶， 减少上覆岩层的弯曲下沉。减少巷内支护所承 受的载荷，保持巷道围岩稳定。同时为了生产 安全，及时封闭采空区，防止漏风和煤炭自燃 发火，避免采空区内有害气体逸出 。
表8-5
载荷形式 支撑效益 kN／kg 均匀载荷 2.7
不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益
顶压大（对称） 1.3 侧压大（对称） 1.0 一侧压力大 0.4 一侧肩压大 0.2
图8-6
宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布 Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区
（三）、护巷煤柱的稳定性
(1) 护巷煤柱的宽度 煤柱宽度影响煤柱的稳定性。
图8-7
煤柱的弹塑性变形区及应力分布
(2) 护巷煤柱保持稳定的基本条件 护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为采准巷 道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形 成各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为 x0、x1（图8-7）。因此，护巷煤柱保持稳定 的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后， 在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核 的宽度应不小于煤柱高度的2倍。
图8-8
采空区上覆岩层结构示意图
三、沿空掘巷的矿压显现规律
（一）沿倾斜方向支承压力分布规律
图8-9 回采工作面倾斜方向支承压力分布 a—顶底板为砂岩 b—顶底板为泥质或较破碎的砂质页岩
（二）巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系
表8-1
围岩 性质 比较稳定 中等稳定 不稳定 200 18 19 24 300 21 24 30
1—掘巷前的应力分布
2—掘巷后的应力分布
Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区；4－原岩应力增高部分
2．窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形
窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留5～8m 宽的煤柱。巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向 煤体内应力分布（图8-12中1）。最终应力分布 状态如图8-12中2所示。
图8-12 窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布
第二节
巷道围岩卸压
一、跨巷回采进行巷道卸压
1．跨巷回采卸压的机理
根据采面不断移动的特点以及巷道系统 优化布置的原则，将位于巷道上方的采煤工 作面进行跨采，使其下巷道经历一段时间的 高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨 采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相 对位置。
2、跨巷回采的应用及矿压显现规律
图8-1 留煤柱护巷示意图
（一） 煤柱的载荷 1．煤柱载荷的估算
图8-2
计算煤柱载荷示意图
D 2 ctgδ p B D H γ 4
2．煤柱宽度的理论计算 方法有：①按煤柱的允许应力，煤柱能承受 的极限载荷；②按煤柱应力分布；③其它多种方 法。各种方法的基本观点都认为：煤柱的宽度必 须保证煤柱的极限载荷σ不超过它的极限强度的R。 煤柱的宽度B计算式：
2．“支架-围岩”相互作用的基本状态
①当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时， 支架处于给定载荷状态。 ②当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱 落时，支架处于给定变形状态。
图8-26
“支架—围岩”相互作用力学模型
a—给定载荷状态； b—给定变形状态
3．“支架-围岩”相互作用原理
巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性， 合理的“支架-围岩”相互作用关系是充分利用围岩 天然的自承力和承载力。
2．巷旁支护的类型和适用条件
木垛支护、密集支柱支护、矸石带支护、混凝 土砌块支护及整体浇注巷旁充填等方式。 除整体浇注巷旁充填，其它方式有下缺点：增 阻速度慢、支承能力低、密封性能差、木材消耗多 和机械化程度不高。 适用条件（见P226；略）