巷道支护基础理论与围岩控制(硕3)
煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术
煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术摘要近年来，随着我国煤矿产能的不断提高，开采的深度也随之增加，采区也开始由浅入深，基于这一现状，致使井下巷道围岩的应力也随之增大，围岩条件日趋复杂，巷道变形、巷道底鼓等现象常有发生，这些问题都严重影响了巷道围岩的稳定性，也为煤矿井下开采工作的顺利进行埋下了隐患。
因此，对煤矿深部岩巷围岩的稳定性进行控制已经迫在眉睫。
本文首先对煤矿深部围岩稳定性控制理论进行概述，进而简要地阐述了煤矿深部岩巷围岩支护原则，并根据笔者多年的工作实践经验总结出煤矿深部岩巷围岩支护技术，期望以此能够为煤矿的安全生产提供一些帮助。
关键词煤矿深部岩巷；围岩；控制理论；支护原则；支护技术1 煤矿深部围岩稳定性控制理论概述从力学性质的角度讲，围岩的稳定性通常取决于岩体自身的变形性质和强度。
另外，围岩自身所受的应力状态也对其稳定性有一定影响。
围岩体主要由两部分组成：一是岩石骨架，二是结构面。
通常煤矿深部的围岩都经历了漫长的地质年代，并且在长期的高压作用影响下使得岩石骨架变得异常致密和坚硬，所以实际影响煤矿深部围岩变形性质和强度的因素主要是结构面。
因此，想要控制煤矿深部围岩的稳定主要应从结构面和应力状态着手。
煤矿深部岩巷开挖过程中，使围岩体所受的应力状态发生了变化，导致了围岩从原本的稳定状态逐渐转变为非稳定状态，虽然，在开挖初期，围岩的抗压强度比较高，但是随着不断的开挖卸荷，致使围岩的侧压有所下降，正常情况下，近表围岩的侧压将会降至为零。
与此同时，大部分应力开始向巷道周向转移，使得应力集中，这时的周向应力一般会升高3倍左右。
通常煤矿700m~900m深度的巷道，近表围岩的围压卸荷幅度大约在20MPa，巷道周向的应力将会增加近60MPa，在如此大的应力作用下，会使围岩的劣化速度不断加快，裂缝也会从表面不断向内部扩散，进而造成围岩失稳。
为了确保围岩的稳定性，就必须在对巷道进行开挖后立即进行必要的支护。
2 煤矿深部岩巷围岩支护原则在对煤矿深部岩巷围岩进行支护时，应遵循以下支护原则：首先，应尽量维护并保持围岩体自身残余强度的原则。
探讨如何有效控制巷道围岩形变
探讨如何有效控制巷道围岩形变引言随着煤炭连续的开采，浅、表部煤炭资源越来越少，目前己转向深部煤层的开采，高地应力巷道支护问题便越来越突出，如冲击地压、围岩大变形、强烈底臌等浅部巷道没有的支护问题。
孟村煤矿煤层埋藏深，煤层厚，地质构造较多，随着中央带式输送机大巷的不断延伸，冲击地压灾害日益显现，选取合理的支护参数和防冲措施对工作面安全生产至关重要。
1、工程概况中央带式输送机大巷设计层位在煤层中部，顶板为砂岩，底板为铝质泥岩，巷道规格为掘宽5.64m，掘高4.57m，掘进断面积达22.4m2，属于典型的深部大断面巷道。
原支护形式为：锚杆规格采用φ20×2800mm，锚杆托盘为150×150×8mm；锚索采用φ21.6×8800mm的钢绞线，间排距2.1m×2.1m，布置形式为“四四”型，锚索托盘规格为：100×100×10mm、200×200×10mm、300×300×10mmQ235组合托盘。
该巷道在掘进过程中，动力显现频次、强度与日俱增，主要表现为煤炮频繁、声响巨大，伴随围岩震动，造成掘进工作面煤壁片帮，顶板抽冒，巷道成形差，支护施工困难，施工安全存在风险。
2、巷道稳定控制方法2.1 掘进支护在冲击地压矿井的支护设计中，要坚持一次支护的原则。
特别是锚杆支护，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。
一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。
巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。
中央带式输送机大巷为矩形断面，采用锚网索喷联合支护。
锚杆采用20#左旋无纵筋400号螺纹钢筋，L=2500mm，杆尾螺纹为M22，螺纹长度150mm，配高强度螺母，矩形布置，间排距700mm；锚杆托盘采用拱型高强度托盘，钢号Q235，规格为150×150×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减阻尼龙垫圈；锚杆护板采用W型钢护板，厚度5mm，宽280mm，长度450mm。
13软岩巷道支护理论与控制技术PPT课件
2、于双忠提出的方案 中国矿业大学教授于双忠在《煤矿工程地质研究》一书中提出
了软岩巷道的围岩分类法。他认为巷道围岩稳定性分类必须考 虑岩体和原岩应力两大因素。通过分析和研究，得出影响煤矿 软岩巷道围岩稳定性的4个基本要素： 岩石的单轴抗压强度、岩石的水理性质(微观结构面)、岩体的 宏观结构面(RQD)和原岩最大主应力。 建议在极稳定的岩层中可只用喷层；稳定岩层中用普通锚杆； 中等稳定岩层中需加密锚杆；不稳定岩层中加密锚杆和采用钢 筋网；极不稳定岩层中需采用锚喷和U型钢联合支护。经有关 矿区验证，得到比较满意的结果。
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第三节 软岩巷道的围岩变形规律和压力特征 软岩巷道围岩变形的特征为掘巷、应力扰动和环境变化都会引 起显著的附加变形量。本节着重阐述： 软岩中因掘巷应力集中而引起的围岩显著变形； 支护损坏和失效等支护阻力丧失而引起的围岩急剧变形； 软岩巷道附近掘巷和翻修等应力扰动而引起的围岩附加变形等。
软岩巷道因应力扰动、支护失效和水的浸蚀引起的围岩变形量 通常都高达数千毫米，其围岩的流变往往持续数年之久，导致巷 道维护十分困难。针对软岩巷道矿压显现的特点，提出了控制围 岩变形的支护措施。
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长期以来，软岩巷道维护一直是煤矿生产建设中的难题。 随着煤炭工业的发展，开采深度的增加，维护问题更加突出。 我国的吉林舒兰和辽源梅河，辽宁沈阳，内蒙平庄，山东龙口， 青海大通，陕西王石凹、安徽淮南和淮北，浙江长广，以及广 东茂名等几十个矿区都存在着软岩巷道的维护问题。在软岩内 布置巷道，围岩压力大，稳定性差，使巷道掘进和支护十分困 难，而且巷道屡遭破坏，需经常翻修，严重影响矿井的安全和 生产建设。软岩的属性是决定围岩稳定性和巷道支护的基本因 素。因此，弄清软岩的基本属性是选择软岩巷道支护的前提。
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巷道围岩稳定性及控制技术综述
组合梁理论
三、巷道支护机理
该理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定 岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆
的作用将表现在两方面：一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防
止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层 间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩 层锁紧成一个较厚的岩层，即组合岩梁。 组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧 成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作
因此, 巷道支护的着眼点应放在
充分利、发挥和改善围岩的自承
能力上。
态，巷道周边浅部围岩的承载能力
得到显著提高，更多的浅部围岩从 无支护时的屈服状态转化为支护后 的弹性状态，围岩塑性区的范围明 显缩小。 (如图中蓝色曲线)
三、巷道支护机理
（二）、巷道支护原则
在巷道支护原理的指导下，为了安全、经济地维护好巷道，在选择支 护型式和参数时应遵循以下原则： 辩证地解决围岩应力与支护强度两者之间的相对关系； 根据实际情况进行一次或二次、多次支护； 提高围岩的自承能力； ① 将围岩由载荷体变为承载体 ② 积极发展主动支护，控制围岩变形
⑥ 1990~2000年，以螺纹钢锚杆为代表的锚杆加之长锚索得到了广泛应用；
⑦ 2000~至今，以高强、高预应力锚杆及锚索得到了广泛应用。
钢筋(或型钢)混凝土支架 少量的不支护巷道
三、巷道支护机理
（四）、巷道支护理论学说
巷道支护理论是巷道支护选择与设计的基础和关键之一，主要解答不 同类型巷道支护(加固)的对象、围岩稳定条件、支护(加固)与围岩相互作用 的机制、各种支护(加固)技术优化选择设计方法等根本性问题，其正确与否
大恒煤业下组煤西翼大巷支护参数的合理选择
大恒煤业下组煤西翼大巷支护参数的合理选择王涛【摘要】大恒煤业有限公司下组煤西翼轨道大巷是下组煤首采区的开拓巷道.为了保证巷道施工安全,同时减少巷道支护成本,大恒煤业结合多年来矿井巷道实际施工经验和该区域的煤层地质条件,发现初步设计中下组煤巷道支护参数存在很大的优化空间;通过进行围岩地质力学特征分析、围岩控制支护数值模拟分析,巷道支护方案及参数得到进一步优化,与下组煤初步设计提供的支护型式相比,每米巷道可节约材料费近1 500多元,大幅降低巷道支护成本.该项研究成果对大恒煤业其他区域巷道施工具有很好的参考价值和指导意义.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2019(035)007【总页数】4页(P104-107)【关键词】下组煤西翼大巷;支护参数;锚杆;锚索长度;优化设计【作者】王涛【作者单位】龙矿集团大恒煤业有限公司【正文语种】中文下组煤西翼轨道大巷为大恒煤业4号、9号煤层配采建设工程中布置的开拓巷道，分别布置在9-1和9-2煤层中，是下组煤首采区的开拓巷道。
根据太原煤炭设计研究院提供的《4号、9号煤层配采初步设计》巷道支护参数，结合多年来的实际施工经验和该区域的煤层地质条件，发现下组煤巷道支护参数还存在很大的优化空间，下组煤初步设计提供的巷道支护强度明显过大，均高于大恒煤业多年来在同类地质条件下所成功采用的支护强度，造成了很大的材料浪费。
因此，根据集团公司关于节能降耗、加强材料管控的总体要求，与太原理工大学合作，通过进行围岩地质力学特征分析、围岩控制支护数值模拟分析、巷道支护方案及参数选择，进行下组煤巷道支护参数优化修改提供了技术支持。
1 巷道生产地质条件1.1 地面相对位置及邻近采区开采情况下组煤西翼轨道巷位于一水平一采区开拓巷道，地面标高1 200～1 205 m，巷道标高1 040.5～979.9 m，巷道上方为本井田工业广场，东部及西部为荒山、农田。
巷道北侧为原大恒4号煤“小采”采空区，南侧为主斜井、西翼皮带大巷，东部为下组煤西翼轨道巷(外段)、北翼轨道大巷、主斜井中部联络巷、主斜井回风联络巷，西侧为边界保护煤柱。
巷道围岩控制方法与支护方式
巷道围岩控制方法与支护方式巷道围岩控制方法与支护方式[摘要]在煤矿生产过程中，巷道围岩控制与巷道的支护是非常重要的环节，关系到煤炭生产的高产高效与采煤安全生产。
降低巷道围岩应力，提高围岩的稳定性，合理选择支护是巷道围岩控制的主要途径。
本文主要阐述了巷道围岩压力及影响因素、巷道围岩控制措施、方法和巷道保护与支护措施等技术问题。
【关键词】巷道；围岩控制；支护方式在煤矿生产过程中，巷道围岩控制与巷道的支护是非常重要的环节，关系到煤炭生产的高产高效与采煤安全生产。
降低巷道围岩应力，提高围岩的稳定性，合理选择支护是巷道围岩控制的主要途径。
回采导致的支承压力不但数倍于原岩应力，并且，影响范围大。
巷道受回采影响后，围岩应力、围岩变形成几倍、几十倍急增。
巷道围岩控制的实质是利用煤层开采引起采场周围岩体应力重新分布的规律，正确选择巷道布置和护巷方法，使巷道位于应力降低区内，防范回采引起的支承压力的影响，控制围岩压力。
本文主要阐述了巷道围岩压力及影响因素、巷道围岩控制措施、方法和巷道保护与支护措施等技术问题。
1、巷道围岩压力及影响因素1.1、围岩压力（1）松动围岩压力。
因巷道挖掘而松动、塌落的岩体，其重力直接作用在支架结构物上的压力，表现为松动围岩压力载荷形式，如支护没有有效控制围岩变形，围岩形成松动垮塌圈时，造成松动围岩压力，顶压显现严重。
（2）变形围岩压力。
支护可控制围岩变形的发展时，围岩位移挤压支架而出现的压力，即：变形围岩压力。
在围岩、支护力学体系中，围岩与支架互相作用，围岩就对支架施加变形压力。
弹性变形压力是围岩弹性变形时作用在支架上的压力，弹性变形出现的速度很快，变形量相当小，围岩、支护相互作用的过程，实际作用较小。
塑性变形压力是因为围岩塑性变形和破裂，围岩向巷道空间位移，使支护结构受压，这是变形围岩压力的基本形式。
塑性变形的状况由巷道塑性区和破裂区的范围所决定。
塑性区的扩展具有时间效应，它不再扩展时，围岩变形速度就下降。
巷道围岩控制方法
1）木支架
木支架易于腐烂、使用期短、防火性能差、复用率低、损耗大、对围岩移动的适应性差等，当巷道变形量超过100～200mm时，木支架就极易遭到损坏。所以采区巷道应尽量不用或少用木支护。
2）金属支架
金属支架具有承能能力大、可多次复用、可缩量小、有利于防火、贮运方便、安装容易和迅速等优点，所以是当前采区巷道支护主要形式之一。
2、巷内加强支护
1）巷内永久性加强支护
（1）在原来棚子的断面范围内以增加构件的方式加强原有的基本支架，其常见的形式有加中心柱、偏心柱或二者并用；
（2）在原有棚子之间增加一些立柱或棚子。
2）巷内临时性加强支护
临时性加强支护最好采用便于安装和拆移的支撑式单体支柱，最好是单体液压支柱。
3、巷旁支护（木垛、密集支柱、矸石带、人工砌块巷旁支护带、刚性充填带）
（3）综合支护——在巷道同一地段内除采用不同结构的支架外，还采用不同原理的围岩加固措施对巷道进行支护。如“棚子+喷层+围岩注浆”、“锚杆+薄壳支架+壁后注浆”支护等。
三、巷道锚杆支护
【笔注】
1、锚杆种类和锚固力
1）锚杆的分类
按锚杆的锚固方式分类；按杆体锚固段长短分类；按锚杆杆体的工作特性分类；按锚杆作用特点分类；按制造锚杆杆体的材料分类。
（1）平顶型可缩性金属支架
（2）拱形可缩性金属支架
3）石材支护
在井下巷道支护中，有时采用石材材料，常用的有天然石材、人工石材、浇筑混凝土三种形式。
对于天然石材，用于主要大巷的支护中，即常说的砌碹支护。对于人工石材，在井巷支护中目前较少采用。浇筑混凝土支护在目前我国井下主要大巷中采用的较多，该类支护主要用于服务年限比较长、巷道尺寸比较大、地质条件比较复杂的条件下。
巷道围岩稳定性及控制技术
该理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩 层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的 作用将表现在两方面：一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止 岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间 的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层 锁紧成一个较厚的岩层，即组合岩梁。
明显效果，但当围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著效
果；锚杆与其锚固范围内的煤体构成一种组合型的锚固支护体，在锚杆的约束与抗
剪作用下，使塑性破坏后易于松动的煤体或煤顶形成具有一定承载能力，并可适应
围岩变形的平衡拱，从而提高了煤体的整体性，防止顶煤松散冒落，锚固平衡拱内
存在着关键承载环，对巷道顶板可起到有效的支承作用。全长锚固锚杆的作用就是
稳定岩层
软弱岩层
虽然悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，但在分析过程中不考虑围岩的自 承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，这与实际情况有一定差距。如果顶板中 没有坚硬稳定岩层或顶板软弱层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到 上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论便不适用。
组合梁理论
三、巷道支护机理
度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。
锚杆作用角
组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作 用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩－支 护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力 简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护 力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分 析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般 不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设 计和施工的重要参考。
巷道围岩
大变形巷道围岩变形机理与控制技术摘要: 为得到困难条件下大变形巷道围岩的变形机理与控制对策以困难条件下巷道的类型划分和特点为基础，总结了巷道围岩表面变形特征和内部的变形与结构特征，详细分析了高应力大变形破坏、底鼓型巷道系统失稳、采动巷道的变形破坏、结构面错动变形机制、围岩与支护结构不耦合五类主要变形机制。
结合巷道围岩控制理论研究与工程实践，提出了目前困难条件下矿井巷道支护存在的主要问题、难点与控制关键。
关键词: 困难条件; 大变形巷道; 围岩控制; 变形机理; 控制技术0 引言近年来，随着我国经济社会的快速发展、西部能源战略基地的大力建设、南方煤企重组的结构调整，煤炭的产量在逐步提高，为国民经济建设提供了重要支撑。
然而，随着煤炭资源开发规模、开采深度的增加，开采条件在持续恶化，巷道维护难度在不断增加，这给矿山巷道支护提出了新的挑战与课题，因此，困难条件下( 例如大采深、构造应力、多次采动影响、松软围岩、突出煤层等) 巷道围岩控制理论与技术亦成为当前矿业工程领域研究的热点与难点。
首先，由于我国东中部浅部煤炭资源的日益短缺，煤层开采必然转向深部，而深部开采因高地温、高地压、高渗透压和开采扰动( “三高一扰动”)的不利影响，使得深部矿井巷道的地质力学环境愈加复杂，地下工程灾害日益增多，深部巷道围岩稳定性控制变得更为困难。
一方面，部分矿井由浅部的硬岩矿井转型为深部软岩矿井，围岩缓变型大变形支护问题十分突出。
另一方面，深部煤层开采引发的冲击地压、瓦斯突出、岩爆等突变型大变形重大灾害在我国频繁发生，给国家财产和人民生命造成了巨大的损失，动力作用下巷道围岩控制问题已成为目前煤炭科技工作者所关注的重大问题之一。
其次，西部大型煤炭生产基地的建设为矿井巷道围岩控制理论与技术的发展提供了良好的机遇，同时也提出了新的挑战。
西部矿区的地质条件有其特殊性，即第四纪冲积层非常浅、软弱基岩埋藏深、含水层较多，( 特) 厚砂砾层、松散沉积砂层、厚冲积层等地层较为常见。
煤矿深部巷道围岩控制及支护技术
根据围岩稳定性分析结果，结合矿井实际情况，选择合适的支护类型。
03
煤矿深部巷道支护技术
锚杆支护技术
01
02
03
锚杆支护原理
利用锚杆的拉力和锁定性 ，对巷道围岩进行加固和 稳定，提高其承载能力。
锚杆支护类型
包括机械锚杆、树脂锚杆 、钢丝绳锚杆等，根据巷 道围岩类型和支护要求选 择合适的类型。
锚杆支护施工工艺
某矿井深部巷道围岩控制实例
地质条件
某矿井地质条件复杂，围岩稳 定性较差，存在多处断层和破
碎带。
围岩控制方法
采用预注浆、锚网喷联合支护等措 施，对围岩进行加固和稳定。
效果评估
经过围岩控制措施后，巷道变形和 破坏情况得到有效控制，提高了矿 井的安全性和生产效率。
某矿井深部巷道支护技术实例
地质条件
某矿井地质条件较好，围岩较稳 定，但受到采动影响较大。
支架支护技术
支架支护原理
利用支架的支撑力和稳定 性，对巷道围岩进行支撑 和固定，防止变形和破坏 。
支架支护类型
包括木支架、钢支架、混 凝土支架等，根据巷道围 岩类型和支护要求选择合 适的类型。
支架支护施工工艺
包括支架的安装、固定、 支撑等步骤，需注意支架 的承载能力、稳定性和维 护措施。
04
煤矿深部巷道围岩控制及 支护技术实例分析
综合考虑巷道的服务年限、地层 条件、水文地质等因素，选择合
适的支护方式。
重视现场监测与信息反馈，及时 调整支护参数，确保支护效果与
安全。
巷道支护类型与选择
煤矿巷道支护类型主要有锚杆支护、喷射混凝土支护、棚式支架支护等 。
锚杆支护适用于围岩较稳定、节理发育的巷道；喷射混凝土支护可及时 封闭围岩，防止风化；棚式支架支护适用于围岩压力大、变形严重的巷
深井巷道锚杆支护机理与围岩控制技术研究
中图分类号 Ｔ Ｄ ３ ５ ３ ． ６
随着 矿井开采 深度 的增加 ， 深部巷道 围岩逐渐 呈 现 出软岩变形特 点 ， 即使岩石抗压强度很高 ， 也可 能成
破坏作用 。在巷道两 帮发生 应力集 中时 ， 两 帮岩石 处
于极不利 的单轴 受力状 态 ， 另一方 面深部 岩石处 于三
为实际意义上 的深井高应力区软岩。巷道 围岩在高 应 力的作用下进入软岩岩性状态 ， 岩石 的蠕变速度 、 蠕 变 时间都在增大 。同时 ， 地质构造也越来 越复杂 ， 巷道 压 力越来越 大。在 采动影 响 的情况 下 ， 巷道 周 围的岩 体
能力 ， 而塑性 区 尚具 有承 载能力 。塑性 区 的出现 改变 了 围岩的应力状 态 ， 这种变 化对 支护来讲具 有两个 力 学效应 ： （ １ ） 围岩 中切 向应力 和径 向应 力 降低 ， 减 小 了作 用于支护体上的荷载。 （ ２ ） 应力集 中区 向深 层偏 移 ， 减 少 了应力 集 中 的
塑性区和松动破坏 区截然 不 同， 松 动破坏 区没有 承载
类 比， 结合其它矿井 的实践经验 ， 回采巷道锚杆 支护参
数 确 定 如下 ：
（ １ ） 采 区两道运和 回风顺槽 ； 断 面形状 为梯形 ， 其净 宽 ２ ． ８ ｍ， 净高 ２ ． ４ ｍ 。巷道 顶板 和两 帮都 使用 钢
煤， 老顶为厚 １ ５ ｍ 的细砂岩。 ２ ． ２ 巷道 支护 参数优 化设 计 依据巷道围岩 破坏范 围 的理论 计算值 ， 辅 以工程
中， 致使这一 区域 岩层屈 服而进 入塑性 工作状 态 。进
入塑性状态的围岩成为塑性 区。塑性 区的出现 ， 使应
力集 中区从岩壁 向纵深偏 移 ， 当应 力集 中的强度 超过 围岩屈服时 ， 又将出现新的塑性 区。如此逐 渐推进 ， 使 塑性区不 断 向纵深 发 展。假若 不 采取 适 当 的支护 措 施， 所监控 的塑性 区将 随变 形加 大而 出现松 动破 坏 。
巷道围岩稳定性及控制技术
目前，已取得的巷道支护理论及设计方法的研究成果对巷道支 护工程实际发挥了有益的作用，但是现行巷道支护理论还存在许多 矛盾和不完善的地方，巷道支护设计很大程度上还停留在工程类比 的经验层次上，理论计算和数值模拟往往只能起到一定程度的参考 作用，难以满足工程的实际需要。为进一步发展和完善巷道支护理 论，使理论能够正真科学、准确的用于指导工程实践，还需要开展 大量的工程试验和理论研究工作。 为提高矿井支护安全可靠性，更有效回收煤炭资源，霍州煤电集 团有限责任公司与中国矿业大学联合提出了《巷道围岩稳定性评价及 控制技术研究》，开展了大量的应力实测及围岩物理力学性质测试， 对各矿巷道围岩稳定性进行系统分析评价，提出了相应的控制措施， 并建立了各矿巷道围岩稳定性控制专家系统，使各矿有针对性的选择 最优的支护方案和支护参数，以达到有效控制巷道围岩变形的目的。
论计算所需要的若干参数还难以准确获得。最根本的是，理论计算法的重要特
点是对现有锚杆支护机理的理论和学说的高度依赖性。而这些理论和学说譬如 悬吊理论、冒落拱理论、组合梁理论等都是在一定条件下提出的，在分析过程 中，不考虑支护－围岩的相互作用，因而都有各自固有的局限性，因此，通过 理论计算法给出锚杆支护参数的解析解的前景是暗淡的，近期内无法使锚杆支 护设计真正达到科学化、定量化。
动圈越大，破裂岩体的碎胀力越大，巷道支护越困难，反之亦然。经过大量的
现场松动圈测试及其与巷道支护难易程度相互关系的研究之后，根据松动圈的 大小将巷道围岩分成小松动圈、中松动圈、大松动圈三大类，据此提出了相应 锚喷支护类型建议及参数计算原则。
四、巷道支护设计
锚杆支护设计方法
工程ห้องสมุดไป่ตู้比法主要存在问题：
工程类比法具有很强的针对性，若能选取合适的样本工程，类比分析恰 当，则能够获得较好的设计结果。然而在现场工程实践中，由于地质条件复 杂多变，现场设计人员受个人工作环境和性质及其它客观条件的限制，其类 比范围十分有限，往往难以获取合适的样本工程，同时，由于类比分析主要 是定性分析，分析结果取决于设计人员的知识、工程经验和对目标工程的认 识程度，因而主观因素影响颇大。
巷道支护基础理论
巷道支护理论基础主要内容一、巷道支护基本理论二、煤巷锚杆支护关键技术三、煤巷顶板事故防治四、煤巷快速掘进技术1.巷道主要支护形式及其现状●煤巷支护主要形式●木支架●工字钢支架●U型钢支架●锚杆支护●巷道变形量大时上述支架难以满足支护要求木支架●优点：重量轻、加工容易、架设方便、有破坏信号●缺点：强度低、易破坏、不防火、易腐蚀、风阻大●适用条件：巷道服务期较短、压力小、断面积不大工字钢可缩性梯形支架井下应用●埋深小于400m的煤巷，支护没有问题工字钢可缩性梯形支架结构工字钢梯形支架破坏形式U型钢可缩性拱形支架适用巷道：围岩比较稳定受动压影响变形200—500mmU 型钢拱形支架破坏形式严重变形拱形录像U 型钢可缩性圆形支架适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定 3受动压影响大 4.变形大于400mm 5.无底臌U型钢方环形可缩性环形支架锚杆支护梯形巷道适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定3.受动压影响大4.变形大于800mm 5有底臌适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定3.受动压影响大4.变形大于1000mm5有底臌锚杆支护拱形巷道低强度普通的锚杆支护常用支架的破坏形式1.埋深小于400m的煤巷，支护没有问题---木支架、工字钢支架和U型钢可缩性支架2.埋深超过600m，传统支护不能适应---木支架和金属刚性支架彻底毁坏---U型钢可缩性支架严重变形---低强度锚杆支护不能满足巷道维护要求3.现代化采煤迫切需要高水平的锚杆支护2、巷道变形破坏原因分析错误!未找到引用源。
1.巷道围岩条件差2.围岩应力大3.支护不适应岩石结构开采煤层顶底板岩层特点●埋藏深度100~1000m，压力250~2500t；●绝大多数顶板有直接顶、老顶和直接底、老底。
材料破坏机理岩块单轴压缩两种破坏形态岩石与软钢应力－应变曲线岩石循环加载曲线岩块轴向与横向应力应变曲线三向应力试验泥岩三轴试验曲线大理石三轴试验曲线点载荷试验直剪试验岩石抗剪强度试验岩石抗拉强度试验岩石试件主破裂面岩石破裂面极限莫尔圆包络线莫尔圆物理意义应力状态的图示莫尔圆的定量关系莫尔库仑准则三轴压缩极限应力圆单轴压缩极限应力圆共轭破裂面库仑准则用强度准则判断稳定性斜直线型莫尔包络线格里菲斯机理格里菲斯准则地应力实测结果普氏地压假说错误!未找到引用源。
沿空留巷围岩控制技术分析
沿空留巷围岩控制技术分析摘要：沿空留巷具有煤炭回收率高、巷道掘进率低、采掘街接合理、技术经济效益显著等优点,并且有利于巷道布置改革,从而为前进式、往复式开采法的应用创造条件。
多年来它一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。
文章主要对沿空留巷围岩控制技术进行了分析。
关键词：沿空留巷；围岩；控制技术沿空巷道如同停采的工作面，其顶板活动规律与采场有不同之处，也有相同之处。
它们之间的不同点在于采场顶板。
相同点在于都是处在一侧是煤体，另一侧是采空区的特殊地段，而且老顶破断后岩块形成的结构也类似。
1沿空留巷围岩特点1.1切顶失稳。
沿空巷道煤帮无论是老顶断裂前呈“悬臂梁”结构，煤帮作为悬臂梁的唯一支撑点，还是断裂后呈“砌体梁”结构，作为两个支撑点中的一个均承受着老顶及上覆岩层较为集中的支承压力，致使煤帮产生严重的变形和破裂，导致老顶沿煤帮切落，发生切顶失稳。
1.2破断失稳在煤帮和岩块两个支点能支撑起老顶的时候，如果留巷巷道宽，老顶受断层等地质构造影响不完整或者厚度小、岩层差，老顶承载不了自身及上覆岩层的载荷，将会在巷道上方断裂，产生破断失稳。
由于老顶破断的同时，伪顶和直接顶也随着冒落下来，因而又称作垮冒失稳。
1.3冒落失稳。
巷道顶板受强烈的掘进和采动影响，特别是在超前支压和采空支压的叠加作用下，导致伪顶、直接顶发生较大的位移和变形，与老顶产生离层，在岩块B的回转挤压下发生冒落失稳。
2沿空留巷围岩控制的原理2.1留巷围岩控制原理、技术及原则工作面回采后，基本顶岩层在形成大结构之前的强烈回转使沿空留巷经受强烈的采动影响，留巷帮顶出现显著的剪切应力集中，合理的巷内支护形式应克服这种剪切破坏；同时沿空留巷内层支护围岩小结构很难承受外层岩体大结构运动回转过程中岩层移动造成的强烈破坏，不能实现自稳，应采取阶段性辅助加强措施。
由此形成了巷道组合锚杆支护、巷旁充填墙体、巷内辅助加强支架“三位一体”的沿空留巷围岩整体支护原理。
采用抗剪切性能的超高强度、高预紧力、系统高刚度为核心的“三高”锚杆支护技术，形成高强主动、高阻稳定的锚杆支护围岩承载结构，可以有效控制巷道掘进期间的变形。
巷道支护基础理论(培训)
巷道布置地点及掘进时 间可不受限制，但要增 加与采用卸载措施有关 的额外费用
二、矿井巷道及其主要支护形式
煤巷及其维护特点 巷道主要支护形 –木支架 –工字钢支架 –U型钢支架 –锚杆支护 巷道变形量大时上述支架难以满足支护要求
矿井巷道
支护对象：破裂煤岩体。顶板岩石松软 煤巷的维护特点 、破碎，节理、层理发育；两帮煤体既 松软又性脆；围岩锚固性能差；
巷道矿压控制的三类方法及途径： – 第一类：巷道保护 – 第二类：巷道支护 – 第三类：巷道维护（维修） 目前所采用的各种矿压控制方法，从其
对付矿压的原理来看不外“抗压”、 “让压”、“躲压”、“移压”等几种 。
巷道矿压控制基本原理及途径
控制方法 基本原理 提高支架的支撑能力或支护密度， 用加强支护的手段去抑制或减少 围岩移动，增强巷道抗变形能力 以对付矿压的作用 具体措施举例 1.增大型钢重量，提高 支架承载能力 2.增加支护密度 3.充填支架背后空间 1.采用有一定工作阻力 的大可缩支架 2.为巷道受压收缩预留 备用断面 3.容忍巷道底鼓然后进 行机械化起底 1.在煤体边缘或煤体下 放的低压区内布置 巷道 2.错过高压作用的时间 ，等压力充分稳定后再 掘巷 1.在巷道或底板中形成 卸载槽孔 2.宽面掘进或在巷旁故 意留出卸载空间 3.用跨采工作面使巷道 得到卸载 主要优缺点
设计方法问题
现设计方法存在的主要问题 –忽视了顶板岩层的结构差异性和地质条件的 变异性，而对于一条巷道仅做一种设计 导致的恶果 –大约90%以上的巷道锚杆支护密度过大，支护 材料浪费惊人，影响矿井的高产高效。 –万分之五的巷道或局部区域支护不足，巷道 大型冒顶事故不断发生，并接连发生重大人 身伤亡事故。
岩石结构
动压巷道围岩控制支护技术探讨
动压巷道围岩控制支护技术探讨.1 问题的提出由于我矿主采煤层的底板大多为松软的泥岩,二水平开采深度已达500m,布置在底板岩巷的南大巷､南异三条上山､各类峒室及采区准备巷道,受采动影响遭到严重破坏,失修巷道达1万m,年维修费用达千万元以上｡为彻底解决失修巷道,从根本上解决问题,除抓好工程施工质量外,将受采动影响的巷道提前进行加固,保证巷道受采动后仍能保证安全使用｡2 支护技术方案与对策2.1锚注预加固支护方案对于锚喷巷道来说,可采取的加固措施包括可缩性金属支架加强支护､加长锚杆及预应力锚索支护､注浆加固支护等｡通过矿井近几年的实践证明,采用金属支架加强支护并不能保证巷道的长期稳定,而采用加长锚杆及预应力锚索支护工艺复杂,成本较高,亦不宜采用｡经分析研究,决定采用锚注预加固联合支护方案｡在原锚网喷基础上,对巷道进行初喷,堵塞巷道的裂缝,接着进行锚注加固,使灰浆充满围岩中裂隙,最后进行锚网梯加固｡2.2支护材料与参数锚注锚网梯加固支护所用材料主要包括螺纹钢锚杆､注浆锚杆､菱形网树脂锚固剂､水泥､喷射混凝土等,其主要支护及施工工艺参数如下:(1)先要对要加固的巷道进行喷浆,厚度3~5mm,喷浆混凝土配料为水泥:河砂:石屑=1:2.5:1.5,水泥采用425#普通水泥,石屑粒径为3~5mm｡(2)注浆锚杆与施工措施｡采用Φ2280mm的注浆锚杆,锚杆角度与顶板夹角不小于75°,空心锚杆间排距为1.5×1.5m,允许误差为±200mm,锚杆外露长度不超过50mm,每孔用空心锚固剂不小于2块,孔处用锚固剂与巷道糊平,注完后及时封孔,防止浆液泄漏｡(3)注浆参数:注浆压力为 3.5~4.0Mpa,浆液的水灰比为0.75~1∶1,注浆材料道425#水泥浆液,用人工在容器中配制｡搅拌时间不小于5min,注浆量以孔满不吸为标准｡。
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矩形巷道周边应力
• 最大应力在角部。
层状围岩巷道围岩区分布规律
(a)―实体煤巷道；(b)―煤柱巷道；(c)―沿空巷道；(d)― 无 直 接 顶 、 底 的 煤 柱 巷 道 。 分 布 状 态 ： (a)―“ ＊ ” 型 ； (b) 、 (c)―半“＊”型；(d)―缺上（或下）的半“＊”型。与圆形巷 道、基本巷道分布状态不同，是研究动压、软岩巷道矿压的基 础。
４、岩石与软钢应力－应变曲线
岩石循环加载曲线
岩块轴向与横向应力应变曲线
三向应力试验
泥岩三轴试验曲线
大理石三轴试验曲线
点载荷试验
直剪试验
岩石抗剪强度试验
岩石抗拉强度试验
岩石试件主破裂面
岩石破裂面
５、极限莫尔圆包络线
莫尔圆物理意义
应力状态的图示
莫尔圆的定量关系
莫尔库仑准则
巷道支护基础理论与控制技术
中国矿业大学（北京） 马念杰
主要内容
一、巷道围岩应力及其分布 二、巷道围岩力学性质 三、巷道支护主要原则 四、巷道围岩控制 五、深部巷道围岩控制的突出难点
一、巷道围岩应力及其分布
１、太沙基地压学说
• 巷道顶板压力等于上覆岩层重量； • 两帮压力按挡土墙压力理论计算； • 适用浅部、松散岩层。
三轴压缩极限应力圆
单轴压缩极限应力圆
共轭破裂面
库仑准则
用强度准则判断稳定性
斜直线型莫尔包络线
格里菲斯机理
格里菲斯准则
三、巷道支护主要原则
支架－围岩相互作用曲线
1-围岩位移曲线； 2–支架工作特性曲线； 3–围岩松动破坏后的位移曲线；A、B、C–支架可能的工作点； Pmax、Pmin—支架承受的最大承载力和最小承载力； Δumax—允许围岩最大位移量
５、开采形成的支承压力
老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布 A—应力增高区; B—应力降低区; C—应力不变区
煤层顶底板
高管培训班
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老顶初次来压和周期来压
高管培训班
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老顶周期来压
高管培训班
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不同类型覆岩开采后的破坏情况
1—冒落带; 2—裂隙带 a—覆岩为软岩层; b—覆岩为中硬岩层; c—覆岩为坚硬岩层
膨胀压力
• 是指由于围岩吸水发生膨胀而对支护体产生的压力。 • 这种压力实质上是变形压力的一种，只是它因含有大量蒙
脱石等膨胀性矿物的粘土岩所特有的一种围岩压力。
冲击压力
• 又称矿山冲击、冲击地压、岩爆等，是矿压显现的动力现 象之一。它是在集中应力作用下，煤、岩体内积聚的弹性 应变能在一定条件下突然释放，使煤、岩体发生急剧脆性 破坏或大块煤体突然向已采空间抛射的现象。
4、变形压力理论
• 等压、各向同性、弹性圆形巷道； • 最大应力在巷道周边，为原岩应力２倍； • 双孔洞时小洞周边应力高； • 解释了巷道周边先破坏，逐步向深部发展的现象。
圆形巷道受不等载荷围岩应力
• 最大周向力为原岩应力的３倍； • 最小周向力为负１倍的原岩应力。
椭圆巷道周边应力
• 周向拉应力更大； • 可解释脆性体破坏机理。
二、巷道围岩力学性质
直接顶初次跨落
Hale Waihona Puke 高管培训班32１、岩石结构组成
２、开采煤层顶底板岩层特点
– 埋藏深度100~1000m，压力250~2500t； – 绝大多数顶板有直接顶、老顶和直接底、老底。
高管培训班
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３、材料破坏机理
• 压破坏 • 剪切破坏 • 拉伸破坏
岩块单轴压缩两种破坏形态
松脱压力
• 由于地质弱面的切割、采动引起的离层或岩 块冒落等原因所造成的松散岩体作用于支护 结构物上的压力，称散体地压或松脱压力。 当支护结构不能有效地限制围岩变形的发展， 而在周围岩体内形成松动圈时，往往导致松 动围岩压力的出现。
• 松脱压力可采用松散介质极限平衡理论或块 体极限平衡理论进行分析和估算。
开采后上覆岩层分区与分带
A— 煤壁支撑影响区(a—b); B—离层区(bc); C—重新压实区(cd); I—冒落带; II—裂隙带; III—弯曲下沉带; —支撑影响角
工作面周围应力集中
两相邻采空区周围的应力分布
煤巷上方应力升高
围岩松软破碎； 受采动强烈影响，地应力大； 巷道剧烈变形；
煤柱底板应力分布
• 圈内岩体的基本特征是裂隙增多。由于塑性圈内 岩石逐渐松弛，而丧失部分承载能力，使原来巷 道周边附近岩石承受的一部分应力转移给邻近的 一定深度的岩体，因而塑性圈也随之逐步扩展到 岩体内的一定深度。
圆形巷道塑性区分布
松动圈
• 巷道周围岩体发生破裂和松动的区域，通常称为松动圈。 • 其范围一般为0.5~1.5m，它与岩体性质及抗压强度等有关。
合理利用巷道围岩的自承力
• 为了利用围岩的自承力，就要容许围岩产生某些变形。 这种变形会使围岩中的能量得到一定释放，从而起到 一定的“卸载作用”，这将有利于减轻支架受载。但 应当注意的是，这种变形应是有限制的。
变形压力
• 是指由于围岩产生指向巷道(硐室)的位移时挤压支护体而 造成的压力。
• 它在围岩与支护体相互作用过程中施加于支护体上。在 “围岩–支架”力学体系中，只要围岩变形而支护体又限 制其变形，围岩就对支护体施加变形压力。
• 变形压力和支护体的刚度有关。在一定的条件下，支护体 刚度越大，变形压力也越大。围岩变形不仅包括弹性变形， 塑性变形，而且还包括与时间有关的流变变形。对于松软 岩体尤为明显，其值远比弹、塑性变形大，而且随时间而 不断增加,因而支护体所受到的变形压力也不断增加。
煤柱应力
英国煤柱应力测量结果
巷道影响区
• 是指巷道周围岩体中由于掘进巷道而使应力比原岩应力发 生明显变化(大于5％)的地区。
• 该区的范围与矿山岩石的性质、开采深度、巷道的形状和 尺寸等有关，一般影响范围的直径为巷道最大线性尺寸的 2～4倍。
６、塑性圈
• 在集中应力作用下，当巷道围岩所受应力超过其 屈服强度时，就会产生塑性变形，在巷道周围形 成一个塑性变形区，其边界称为塑性圈。
２、普氏地压假说
• 地下硐室开挖后顶板和两帮出现松动压力； • 顶板压力等于冒落拱内岩石的重量； • 两帮压力用挡土墙压力理论计算。 • 在大多数情况下适用。
３、原岩应力实测结果
• 垂直应力为0.027Ｈ，越深越准确。 • 水平应力一般大于垂直应力（２/３）。 • 水平应力是垂直应力1.5倍占３０％。