(完整版)巷道支护基础理论课件

2、巷道变形破坏原百度文库分析
巷道围岩条件差 围岩应力大 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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
两相邻采空区周围的应力分布
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
英国煤柱应力测量结果
煤柱应力
圆形巷道受均布载荷围岩应力
圆形巷道受不等载荷围岩应力
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
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。
锚杆支护梯形巷道
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
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
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 现代化采煤迫切需要高水平的锚杆支护
椭圆巷道周边应力
矩形巷道周边应力
圆形巷道塑性区分布
层状围岩巷道塑性区分布
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。
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
适用巷道：
•服务时间长 •围岩不稳定 •受动压影响大 •变形大于400mm •无底臌
U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：
•服务时间长 •围岩不稳定 •受动压影响大 •变形大于800mm •有底臌
U型钢方环形可缩性环形支架
适用巷道：
•服务时间长 •围岩不稳定 •受动压影响大 •变形大于1000mm •有底臌
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
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
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
适用巷道：
•围岩比较稳定 •受动压影响 •变形200—500mm
工字钢梯形支架破坏形式
U型钢可缩性拱形支架
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
太沙基地压学说
变形压力理论
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。