巷道矿压控制原理（课堂PPT）

下篇：巷道支护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》，中国矿业大学出版社，1994。煤矿巷道矿压理论与支护技术体系地质条件、采掘技术巷道矿压显现巷道矿压控制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，为矿井创造必要的条件。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。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。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。（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。（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。（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。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20~40m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10m左右；在深部和松软围岩条件下，巷道间距可增大至50m以上；上、下山及集中巷的间距以15~30m为宜，围岩稳定时取小值，围岩不稳定时取大值。（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。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。（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。（三）巷道支护与围岩加固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。（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。（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。（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。（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。（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。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。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。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。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。（一）圆形、弹性、无支护巷道边界：K=0，（二）椭圆形、弹性、无支护K=0,K=1,K=a/b,（三）方形、弹性、无支护（四）圆形、弹塑性、无支护（五）圆形、弹塑性、有支护塑性区半径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。（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。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。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。（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。（三）围岩的物理力学性质（四）塑性圈范围应力降低区（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。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（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。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。（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。（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。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。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。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（六）采动影响。次生应力场二、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）其他变形与破坏影响巷道变形破坏的主要因素（一）自然因素1）围岩性质及其构造围岩性质对巷道变形与破坏有决定性影响。强度、裂隙等。2）巷道埋藏深度。3）煤层倾角。4）地质构造。5）水。6）时间因素。（二）开采技术因素1）采动状态；2）巷旁支护；3）巷道支护形式和参数；4）断面形状和断面大小；5）与工作面的时空关系。三、稳定性判别（稳定性系数法）稳定性系数：巷道附近的最大原始地应力或者开挖后的最大应力与围岩综合强度的比值Ky。式中，m—岩石硬度系数(见表10-3)；γ—上覆岩层平均容重；h—巷道埋深，m；σc—岩石单轴抗压强度，MPa；fT—岩体构造特性系数，均质未破坏地段为1.0，层状未破坏地段为0.95，均质裂隙地段取0.9，均质破坏地段取0.85，层状裂隙地段为0.8，层状破坏地段取0.70；ρ—支架参与对抵抗变形的影响系数；K—围岩应力集中系数，椭圆形巷道，短轴与长轴比为1.5时，K取1.5；圆形巷道，K取2；圆拱形巷道，K取2.5；拱形巷道，K取3；直角形(梯形)巷道，K取3.5。围岩稳定性分类根据Ky值分为5类：（1）极稳定（~0.2）5年，~50mm，~5mm/月，30~50mm的喷砼支护。（2）稳定（~0.3）局部变形的面积（~10%），扩展0.5m，~100mm，~10mm/月，~50kg，不需要临时支架，只要支撑式支架。（3）部分稳定（~0.4）变形（~50%），扩展1m，~200~250mm，25~50mm/月，主动承载力的支架，保护方法时可用轻便支架。（4）不稳定（~0.5）变形（>50%），扩展>1m，~500mm，~100mm/月，临时支架必须计算，必须实行保护。（5）极不稳定（0.5~）全部变形，扩展>=2m，>500mm，>150mm/月，加强支架或综合保护，超前预支护。围岩类别松动圈支护方法备注小I稳定<40cm喷砼围岩整体性好中II较稳定~100锚，喷刚性支护也可III一般~150锚，喷刚性支护局部破坏大IV一般不稳定~200锚，喷，网刚性支护大面积破坏V不稳定~300锚，喷，网围岩变形有稳定期VI极不稳定>300二次支护无稳定期四、围岩松动圈分类法五、围岩内外圈层结构的稳定性分析巷道围岩范围内各部分岩体，由于其距巷道周边的距离和岩性的不同对巷道稳定性的影响作用是有显著差别的。根据这种作用的大小以及一般巷道支护控制作用的范围，可将巷道围岩分为内层围岩和外层围岩两部分，然后研究内外层围岩的结构类型及其与围岩稳定性之间的关系，并提出相应的围岩控制原则。内层围岩、外层围岩。1）定义（1）内层围岩内层围岩是指距巷道周边较近的那部分岩体，其范围与通常意义上的松动圈范围相当。内层围岩的结构与性质对巷道稳定性影响最大。受开挖及风化等影响严重，最易出现破坏和冒落。围岩变形的绝大部分是由这部分岩体产生的，锚杆支护、注浆加固及人为卸压等措施大致上也是在该范围岩体中进行的。可见，内层围岩既是影响巷道稳定性的关键部分，也是人为控制措施的主要的和直接的作用对象。（2）外层围岩是围岩中距巷道周边较远的那部分岩体。与内层围岩相比，外层围岩受开挖及风化等影响较小，受支护控制作用的影响也较小；在围岩变形中，外层围岩所占比例很小，对巷道稳定性的影响也较小。（3）内外层围岩之间的关系内层围岩的结构与性质是影响巷道稳定性的决定因素。外层围岩的结构与性质对巷道稳定性的影响要通过内层围岩来实现；支护控制的主要对象是内层围岩。内层围岩往往与支护形成整体承载结构，外层围岩则是上覆岩层压力向内层围岩和支护传递的中介。2）内外层围岩结构类型(1)内外层围岩类别稳定型(Ia)：不稳定型(Ib)：外层围岩也可以分为稳定型(IIa)和不稳定型(IIb)两类。Ia类内层结构的巷道：一般都较易维护，受外层围岩稳定性影响较小，巷道属稳定和比较稳定类；Ib类内层结构的巷道：属于较不稳定和不稳定类，且受外层围岩稳定性影响很大。外层围岩稳定性对巷道的影响作用，主要取决于内层围岩的稳定性。IIa类外层围岩，对内层同岩起到“保护层”作用，有利于巷道稳定，尤其当内层围岩为不稳定类时，IIa类外层围岩的保护作用更加突出；IIb类外层结构，对内层围岩起到“加载”作用，对巷道稳定不利，尤其当内层围岩属Ib型时，这种不利影响更大。围岩整体结构的四种组合类型：IaIIa、IaIIb、IbIIa、IbIIb。四种围岩类型可以相互转化。若不考虑人为加固，图中虚线所示的转化一般不会发生，则仅有两种可能的转化形式。IaIIaIbIIa和IaIIbIbIIb，它们均由内层围岩破坏失稳引起。显然，上述两种转化中后一种形式的危害最大，也最容易发生，应该设法避免。通过人为加固措施，实现IbIIbIaIIb转化将收到最佳的加固效果。而IaIIaIbIIa之间的转化，对巷道稳定性的影响相对较小，人为加固的效果也较小。3）围岩控制原则(1)IaIIa类：易维护，可用轻型支护，甚至不支护。(2)IaIIb类：较易维护，但必须特别注意不要破坏内层围岩的稳定，即要严格防止出现Ia型向Ib型转化。因为一旦这种转化得以实现，则因外层围岩为不稳定型，围岩整体结构变为IbIIb型，巷道维护将极为困难。(3)IbIIa类：较易维护。支护只需承担内层围岩部分自重，而不需考虑外层围岩；支护的重点是从安全角度考虑防止内层顶板冒落，但若采用密集的支撑式支护，则可以允许内层围岩在架后冒落，不影响巷道稳定性(因外层围岩为稳定型)。(4)IbIIb类：难维护。巷道布置时要设法避开这类围岩，特别要防止其他类型围岩向该类型的转化。当巷道不得不布置在这类围岩中时，则需采用复杂的、成本较高的综合治理措施。支护不仅需支护内层围岩，而且必须承担外层围岩传递来的强大压力作用。常用的让压滞后支护、松动卸压等方法在这类围岩中一般难以奏效，相反有时会使围岩稳定性进一步恶化；普通的单锚支护也往往会失败。这类围岩最忌多次翻修扰动，越修越坏是其突出特点。IbIIb类围岩的控制措施包括：巷道顶部布置卸压巷硐或跨巷预采法进行整巷卸压；加固内层围岩如注浆等，实现IbIIb向IaIIb甚至向IaIIa类的转化；巷道支护应具有高阻可缩性能。4）结论(1)巷道围岩由内层围岩和外层围岩两部分组成，内层围岩稳定性是决定巷道围岩稳定性的最关键因素，外层围岩起压力传递作用，它对巷道稳定性的影响要通过内层围岩实现。(2)巷道围岩结构有四种类型：各类型之间可以相互转化，围岩控制的主要原则是促成有利的转化而防止不利的转化。(3)IbIIb类围岩是最难维护的一类，巷道布置时要尽可能避开这类围岩。整巷卸压法、注浆加固法可以促进这类围岩向较稳定类转化；巷道支护方面，高阻力大可缩性是较理想可行的支护形式，如U型钢支架壁后充填支护等。7.3巷道支护与加固原理巷道稳定性的影响因素：1）原岩应力场无法改变；2）围岩性质可以改变，如注浆；3）断面形状和尺寸可以选择；4）地下水较难改变；5）施工方法可以改变；6）加固和支护最积极的因素。一、支护和加固原理（一）表面支护力对围岩破裂区的影响不会明显改变围岩的弹性应力围岩分布；如果破坏是在无支护条件发生的，表面支护难以阻止破坏的发生。表面支护：围岩二向受力三向受力。静水压力作用下的圆形巷道为例完整岩体破裂岩体塑性区范围内应力为：弹性区域应力为：分界处的应力塑性区半径内摩擦角φ,φf=35°Pi=0.05P0C0=0.5P0re=1.99a支护的主要作用维持破裂岩块间接触的连续性；产生巷道边界的径向约束力。作用方式岩块间产生摩擦力，破裂区内部产生并保持较高的三向应力状态。（二）支护力和围岩变形的关系圆形巷道周边位移分布图支护力和围岩变形的定性关系图控制围岩位移是支护和加固系统的主要作用。必须允许围岩产生一定的位移才能充分利用岩体的强度，从而限制支护荷载的大小；过大的位移会导致岩石松动。2个重要的影响因素：1）支护刚度大、中、小。常刚度、变刚度。非线性：支架和围岩的不良接触，支护系统本身的性质。最差：楔紧式的钢支架或木支架。2）支护安设时间超前、及时、滞后。图4-1围岩—支护特性曲线1-完整岩体特性曲线；2-节理岩体特性曲线；3-压力拱破坏（1）AA’—支护完全刚性或者刚度很大，支护承受的荷载太大，被破坏，然后，围岩破坏，垮落。（2）AC—支护刚度适中，，C点平衡。（3）AeE—支护提前屈服；（4）AH—支护柔度大，在H点平衡，围岩已经开始松动；（5）AF—支护柔度太大，失稳；（6）GH—滞后支护，围岩已坏。围岩支护特性曲线某些非线性支护反作用观测曲线O预制混凝土衬砌喷射混凝土楔紧式钢架径向位移径向压力锚杆O预制混凝土衬砌喷射混凝土楔紧式钢架径向位移径向压力锚杆支护和加固巷道的原则：（适应围岩发生屈服，而不是支护单个岩块自重）（1）开挖后立即支护；（2）接触良好；（3）变形协调；（4）防止风化；（5）避免重复移动支护构件；（6）灵活；（7）少扰动围岩。支护阻力放大作用原理已知：圆形隧道，半径3m，p=10MPa静水应力场，Φ=45°，φf=30°，C=1MPa，Pi=0.2MPa。求得：re=7.415m，p1=1.222MPa。p1/pi=6.1支护阻力放大作用原理支护可以防止浅部破裂岩体强度降低或对浅部破裂岩体进行主动加固，形成“浅部破裂岩体—支护”承载结构，该承载结构能够对深部岩体提供比支护力pi大几倍甚至几十倍的支护阻力p1，即侧向约束力（σ2、σ3），阻止岩体继续破坏，实现系统稳定。锚杆支护及注浆加固：有效加固浅部围岩，形成岩体-支护承载结构，主动支护；传统支护：限制浅部围岩变形和破坏，提高其残余强度；易受架后空间的影响。壁后充填：提高浅部残余强度，显著降低软岩巷道的变形和破坏。支护—围岩系统平衡（1）IaIIa型：完全不支护；（2）IaIIb型：支护浅部，对深部提供较大的支护阻力；（3）IbIIa型：支护浅部重量；（4）IbIIb型：浅部进行强力支护；深部加固。