巷道矿压控制原理

下篇：巷道支护设计
第七章 巷道围岩控制原理 第八章 巷道矿压控制设计 第九章 锚杆支护设计
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教材和参考书
教材： （1）姜福兴 等 编著.《矿压控制设计》中国矿业大学出版社 1996； （2）侯朝炯主编.《煤巷锚杆支护》,中国矿业大学出版社，1999。 参考书： （1）姜福兴 主编.《矿山压力与岩层控制》,煤炭工业出版社，2004 （2）钱鸣高 主编.《矿山压力及其控制》，煤炭工业出版社，1991 （3）陈炎光，陆士良 主编，《中国煤矿巷道围岩控制》，中国矿业大
变形压力是由于围岩的变形和破裂，围岩向巷道空间位移，使支护结构受到 的压力，塑性变形是围岩压力的主要形式。
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（3）膨胀围岩压力
围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力，称为膨胀压力。 膨胀压力与变形压力从现象上看，居于变形压力范畴，但两者的变形
机制截然不同。 膨胀围岩压力是指岩体与水发生物理化学反应作用结果；变形围岩压
这是围岩松软巷道随开采深度增大或受采动影响时变形量比围岩较稳定的 巷道要大得多的原因。
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二、围岩应力分布的影响因素
（一）侧压系数K（初始地应力）
K = 0，边界的环向应力最大值在边墙，3p；最小值在拱顶，-p；这两 个值是极限值。 K = 1/3时，顶底板开始出现拉应力； K = 1，应力分布与θ无关； K = 3，两帮开始出现拉应力。
危害而采取的各种技术措施。如留设护巷煤岩柱，卸压等。 巷道支护 —借助于安设支架去预防围岩产生过度变形和防止巷道失稳，保证巷道
正常的使用。 巷道维护 —对已经支护过的巷道，为了改善其恶化的维护状况和改善其稳定性而
采取的措施，如补棚、补柱、扩帮、起底等。
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（一）巷道布置
巷道布置要求：
（1）在时空上，避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在煤层开采 形成的应力降低区内。
应力降低区（破裂区）、应力升高区（强化区）。
（五）支护强度和范围
对弹性分布影响小； 使塑性区变小，塑性圈内岩体强度提高。
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围岩压力及其影响因素
概念
—为了防止围岩变形和破坏，需要对围岩进行支护。这种围岩变形受 阻顺作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力，统称为围岩压 力。
（一）分类
根据围岩压力的成因，可分为四种类型： （1）松动围岩压力 （2）变形围岩压力 （3）膨胀围岩压力 （4）冲击和撞击围岩压力
巷道卸压的要求：
（1）位于松软岩层内邻近回采工作面的重要硐室，若须避免回采引起的 支承压力作用，可采用在巷道顶部的岩层或薄煤层内开挖卸压槽的措 施。
（2）在强烈底鼓的松软岩层内，可采用先使底板松动爆破卸压，然后灌 浆加固的措施。
（3）在底板松软的薄煤层内布置巷道，采用宽面掘巷，可减少巷道的强 烈底鼓。
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7.2 围岩稳定性及其判别
多数情况下，巷道周围通常都有一个范围不等的岩石破坏 区（松动圈）。
对巷道来说，主要问题不是阻止岩体局部破坏和破坏区的 形成，而是确保巷道不发生不可控制的大位移，使巷道(包 括支架)的形状与尺寸及工作状态满足预定的使用要求，并 防止冒顶事故。
因此，围岩大范围失稳破坏与岩石的局部破坏是有区别的 ，范围有限的岩石破坏不一定意味着巷道围岩稳定性的破 坏和巷道使用功能的完全丧失，但是二者又有密切关系， 破裂区越大，表明巷道围岩稳定性越差，当破坏区发展到 一定程度时，必然导致巷道围岩的大范围失稳破坏。
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一、巷道稳定性的影响因素
（一）岩块力学性质、岩体结构类型、结构面的参数和力 学性质。
（二）原岩应力场（埋深、构造等）
（三）地下水
（四）巷道形状和尺寸
（五）支护形式和参数
次生应力场
（六）采动影响。
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二、巷道失稳（变形与破坏）的形式
1）巷道顶板的变形与破坏 （1）顶板规则冒落； （2）顶板不规则冒落； （3）顶板弯曲沉降。 2）巷道底板的变形与破坏 （1）底板塑性膨胀； （2）底板鼓裂。 3）巷道两帮的变形与破坏 4）其他变形与破坏
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巷道边界：
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K=0，
27Biblioteka Baidu
（二）椭圆形、弹性、无支护
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B
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（二）巷道形状和尺寸
1）形状 平直的周边易受拉； 转角处应力集中明显，且存在很大的剪应力； 高宽比对应力分布影响很大； 长轴与最大来压方向一致，且使得巷道最大与最小尺寸比等于最大最 小主应力比。
2）尺寸 尺寸越大，应力集中系数越大，应力变化越大。
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（三）围岩的物理力学性质 （四）塑性圈范围
（4）巷道两帮存在松软的岩层或薄层煤，可采用掘巷时挖掉软岩，然后 进行充填的措施。
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（三）巷道支护与围岩加固
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1）支护方式分类
（1）表面支护和内部支护
表面支护是木支架、金属支架、装配式混凝土支架、砌碹、喷层等直 接作用于巷道围岩表面的支护。其作用就是提供表面约束支护力。 内部支护是锚杆、锚索、注浆等深入围岩内部的支护。其作用主要是 加固围岩，锚杆(索)同时对围岩表面提供约束支护力。
（1）巷道的周边位移，随巷道所处的原始应力的增大呈指数函数关系迅 速增长。这是巷道随开采深度增大或受回采影响后，围岩变形急剧增长的重 要原因。
(2)内摩擦角和内聚力越小，也就是围岩强度愈低，则周边位移值显著增 大。
（3）周边位移与原始应力P的关系中，指数的大小取决于ψ、c的变化， ψ 、c的值越小，指数越高，周边位移增长愈加迅速。且P值愈大， ψ、c的影 响愈大。
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（三）方形、弹性、无支护
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（四）圆形、弹塑性、无支护
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（五）圆形、弹塑性、有支护
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塑性区半径
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巷道的稳定性和周边位移主要取决于岩层的原始地应力P，反映岩石 强度性质的内摩擦角ψ和内聚力c，巷道支护阻力Pi和半径a等。
力则是围岩应力与岩体结构效应。
（ 4）冲击和撞击围岩压力
冲击围岩压力指围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来所产 生的压力；
撞击围岩压力主要是采煤工作面上覆岩层剧烈运动时对巷道支护体所 产生的压力。
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（二）影响围岩压力的主要因索
影响围岩压力的因素基本上可分为地质因素和开采技术因素两大类。
（2）如不能避免采动支承压力影响，则应尽量避免支承压力叠加的 强烈作用，或者尽量缩短支承压力影响时间。
（3）在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的岩层或煤层布置巷 道，尽量避免与水或松软膨胀岩层接触。
（4）巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，过构造地质带尽 量垂直过。
（5）相邻巷道或硐室间选择合适的岩柱宽度。
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相邻巷道的岩柱宽度
在我国煤矿目前的采深条件下，相邻巷道间的距离以20~40 m为 宜，围岩稳定时取小值，不稳定时取大值；
在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，巷道间距可减小 至10 m左右；
在深部和松软围岩条件下，巷道间距可增大至50 m以上； 上、下山及集中巷的间距以15~30 m为宜，围岩稳定时取小值，
围岩不稳定时取大值。
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（二）巷道保护
护巷要求：
（1）区段间尽量采用无煤柱护巷； （2）沿空掘巷应在采空区上覆岩层稳定之后再掘进。 （3）沿空留巷，在厚煤层开采中需要巷旁充填。 （4）煤柱宽度要合适。对于上山、大巷、石门等，煤柱宽度以它们不受
或少受采动支承压力为准，或者采用跨采方式。
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（6）联合支护和单一支护 联合支护指采用多种不同性能的单一支护的组合结构，即在联合支护
中各自充分发挥其固有的性能，扬长避短，共同作用，以适应围岩变 形的要求，最终达到围岩和巷道稳定的目的。 联合支护要与混合支架概念相区分，即两种不同材质组成的单一支护 体。
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联合支护也要与复合衬砌和复合材料的概念相区分，在碹体 支护中两碹体间充以沥青或塑料板等进行复合衬砌，借以满 足工艺要求，不能称为联合支护。又如在同一喷层内，外层 、内层采用不同弹模的纤维，只能称作复合材料而不能称为 联合支护。
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（1）松动围岩压力
由于巷道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上 的压力，表现为松动围岩压力载荷形式。
如支护不能有效地控制围岩变形的发展，同岩则形成松动垮塌圈出现，将导 致松动围岩压力出现，通常顶压显现严重。
（2）变形围岩压力
支护在控制围岩变形的发展时，围岩位移挤压支架而产生的压力，称为变形 围岩压力．简称变形压力。
地质因素是自然然条件决定的，主要包括：
原岩应力状态、围岩力学性质、岩体结构、岩石的组成和胶结状态、 围岩中水分的补给状况等。
开采技术因素也称人为因素，影响最大的是回采工作影响状况，即巷 道与采煤工作面相对空间、时间关系。开采技术因素主要分为：巷道 是处于一侧、两侧或邻近煤层采动影响；是受一次还是受多次采动影 响；采动影响已经稳定还是正在采动过程中；巷道保护方法、巷旁支 护方式、巷道断面形状和大小；巷道掘进方法、巷道基本支护类型和 参数等。
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3）巷道矿压控制途径与手段
（2）三种途径
降低巷道围岩应力； 提高巷道围岩强度；巷道稳定性“三大要素” 合理选择支护方式。
（3）四种手段
巷道布置；
巷道保护；
巷道支护；
巷道维护。
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（3）四种控制手段：
巷道布置 ——巷道的位置、掘进顺序，尤其是巷道与回采工作面的时空关系。 巷道保护 —为使围岩应力和围岩强度相适应，以便预防巷道失稳或有效减轻矿压
2）主要任务
（1）保证巷道使用期间所需的巷道形状和断面大小； （2）为保证人员和机械设备的安全和正常工作创造条件； （3）选择技术经济最为合理的确保巷道围岩稳定性的维护措施和方法。
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3）巷道矿压控制途径与手段
（1）控制原理：围岩压力和强度协调
“抗”，抵抗矿山压力； “让”，释放高压； “躲”，躲开高应力区； “移”，移走高压。
学出版社，1994。
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煤矿巷道矿压理论与支护技术体系
应力场 煤岩强度 煤岩结构
围岩稳定性 围岩变形 围岩破坏
巷道布置 巷道支护 围岩加固
地质条件、采掘技术 巷道矿压显现 巷道矿压控制
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概述
巷道围岩控制概念 巷道围岩控制的主要任务 巷道围岩控制的方法和途径
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巷道围岩控制 1）概念
——控制巷道围岩的矿山压力和周边位移措施的总和，其目的是保证巷 道的正常使用，为矿井安全生产创造必要的条件。
（4）临时支护与永久支护 巷道临时支护指为保证安全全临时支设的，需要撤除并反复使用的支 架，如采煤工作曲附近巷道的超前支护或加强支护、掘进工作面的临 时支护等；永久支护是指为维护巷道长期使用所采用的支护。
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（5）一次支护与二次支护 不撤除的超前支护应属于一次支护，它同样要在整个巷道服务期内发 挥作用。 滞后一次支护一定时间及距离的支护，为二次支护。
联合支护必须是多种独立的支护方法的组合．如锚喷和U型 钢支架的联合、锚喷和弧板的联合。
（7）巷内基本支架支护、巷内加强支护、巷旁 支护。
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2）巷道支护装备 （1）锚杆支护 （2）金属支架 （3）其它传统支护：混凝土、钢筋混凝 土、石材、木材 （4）联合支护。
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第七章 巷道矿压控制原理
7.1 巷道围岩应力分布及其影响因素 7.2 巷道围岩稳定性及其判别 7.3 巷道围岩控制的方法和途径 7.4 巷道支护与加固原理及技术
（2）主动支护与被动支护
注浆、有预紧力的锚杆(索)、有初撑力的表面支护属主动支护。无预 紧力的锚杆(索)、无初撑力的表面支护，属被动支护。
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（3）刚性支护与可缩性支护 尽管各种支护均有一定的可缩性，但相差较大。一般而言，壁后充填 的可缩性金属支架、可拉伸锚杆、柔性喷层等支护可缩性较大，而其 他支护的可缩性均较小。这里的可缩性，必须是指产生缩量后巷道及 支架仍能正常工作，支架结构未遭到破坏的情况。因支架钻底破顶或 支架产生结构性破坏的“缩量”，是不允许的，因此不属于设计可缩 性能的范畴。
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7.1 巷道围岩应力分布及影响因素
一、掘进巷道引起的围岩应力分布
应力场（应力在空间内的分布情况） 圆形椭圆矩形其它形状； 弹性弹塑性； 无支护有支护。
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（一）圆形、弹性、无支护
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