第八章巷道维护原理和支护技术.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,柏建彪教授,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章巷道维护原理和支护技术,2,传统留煤柱护巷:区段煤柱,1、,煤柱得载荷,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱得稳定性,以平面问题代替空间问题,以均质取代复杂得岩层赋存状况,未涉及上覆岩层得移动等。但迄今它仍就是比较简单与实用得煤柱载荷估算方法,各种方法得基本观点一致:煤柱得宽度必须保证煤柱得极限载荷,不超过它得极限强度,R(,七章一节,),。煤柱得宽度,B,计算式:,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱得稳定性,1、,煤柱得载荷,1),一侧采空,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱得稳定性,2、,煤柱得应力分布,煤柱,(,体,),得承载能力,随着远离煤体,(,煤柱,),边缘而明显增长。在距煤体,(,煤柱,),边缘一定宽度内,存在着煤柱,(,体,),得承载能力与支承压力处于极限平衡状态,运用岩体得极限平衡理论,塑性区得宽度,x,0,:,在实践中,x,0,得变化范围,3,20m,一般,5,12m,。应力降低区宽度得变化范围为,2,7m,一般为,3,5m,。随着埋深、充分采动影响得增大,这个范围有所增大。,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱得稳定性,2、,煤柱得应力分布,2),两侧采空,B,2L,2L,B,L,BL,破裂区,塑性区,弹性区,原始应力区,护巷煤柱保持稳定得基本条件:,回采空间塑性区得宽度为,x,0,;,采准巷道塑性区得宽度为,x,1,在煤柱中央存在一定宽度得弹性核,弹性核得宽度应不小于煤柱高度得,2,倍。,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱得稳定性,3、,护巷煤柱得稳定性,我国应用得经验公式为:,第一节 无煤柱护巷,一、护巷煤柱得稳定性,4、,煤柱宽度得经验公式,底板为较厚软岩,底板为薄层软岩,中等稳定围岩,第一节 无煤柱护巷,二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定得关系,顶底板坚硬,第一节 无煤柱护巷,三、沿空掘巷得矿压显现规律,1、,沿倾斜方向支承压力分布规律,顶底板较软,第一节 无煤柱护巷,三、沿空掘巷得矿压显现规律,2、,巷道围岩变形与护巷煤柱宽度关系,回采巷道保持稳定状态得护巷煤柱宽度值,H/m,第一节 无煤柱护巷,三、沿空掘巷得矿压显现规律,3、,沿空掘巷得矿压显现,1,)沿空巷道得围岩应力与围岩变形,图,8-10,沿空掘巷引起煤帮应力重新分布,1,掘巷前得应力分布,2,掘巷后得应力分布,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,图,8-11,窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布,1,掘巷前得应力分布,2,掘巷后得应力分布,第一节 无煤柱护巷,三、沿空掘巷得矿压显现规律,3、,沿空掘巷得矿压显现,2,)窄煤柱巷道得围岩应力与围岩变形,窄煤柱巷道就是指巷道与采空区之间保留,5,8m,得煤柱。,第一节 无煤柱护巷,三、沿空掘巷得矿压显现规律,3、,沿空掘巷得矿压显现,3,)沿空掘巷得三种方式,完全沿空掘巷,留小煤墙沿空掘巷,保留部分老巷,沿空留巷就是在上区段工作面采过后,通过加强支护或采用其它有效方法,将上区段工作面运输平巷保留下来,供下区段工作面回采时作为回风平巷。,第一节 无煤柱护巷,四、沿空留巷得矿压显现规律,1、,采动使其得受力状况,第一节 无煤柱护巷,四、沿空留巷得矿压显现规律,2、,沿空掘巷得顶板下沉规律,采面前,20,40m,处煤层上覆岩层开始运动,但下沉速度很小,为岩层起始沉降期。,在工作面后方,10,20m,处,下沉速度最大;在,0,60m,范围内,下沉量占最终下沉量得,80,左右,称为岩层强烈沉降期。,在工作面后方约,60m,以外,上覆岩层沉降速度逐渐衰减,在,100m,左右,岩层运动基本稳定,称为岩层沉降衰减期。,若直接顶板冒落能够填满采空区,采动期间沿空留巷得顶板下沉量与采高呈正比,一般为采高得,10,20,属于“给定变形”。沿空巷道得顶板往往明显地向采空区方向倾斜,倾角一般为,3,0,6,0,。,巷旁支护就是指巷道断面范围以外,与采区交界处架设得一些特殊类型得支架或人工构筑物。它得主要作用:,控制直接顶得离层与及时切断直接顶板,使垮落矸石在采空区内充填支撑老顶,减少上覆岩层得弯曲下沉。,减少巷内支护所承受得载荷,保持巷道围岩稳定。,封闭采空区,防止漏风与煤炭自燃发火,避免采空区内有害气体逸出。,第一节 无煤柱护巷,五、沿空留巷巷旁支护形式,1、,巷旁支护得作用,第一节 无煤柱护巷,五、沿空留巷巷旁支护形式,2、,巷旁支护得类型与实用条件,3、,整体浇注巷旁充填技术,木垛支护、密集支柱支护、矸石带支护、混凝土砌块支护等方式。它们得主要缺点就是,增阻速度慢、支承能力低、密封性能差、木材消耗多与机械化程度不高。,对于,级,类至,级,类顶板围岩条件,适合选用切顶型巷旁支护方式,一般采用整体浇注护巷带或混凝土砌块构筑得护巷带,护巷带高度不宜超过,3m,护巷带得宽高比一般应大于,0、5,。,整体浇注巷旁充填技术具有增阻速度快、支承能力大、密封性能好与机械化程度高等优点,使发展沿空留巷技术得关键问题得到解决。,一、跨巷回采进行巷道卸压,第二节 巷道围岩卸压,1,不留区段煤柱、先跨;,2,留区段煤柱、先跨;,3,留区段煤柱、后跨;,4,较宽得煤柱维护上山,横跨,纵跨,跨巷,回采,a,无切缝;,b,两帮切缝;,c,顶底切缝;,d,两帮及顶底同时切缝,二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压,第二节 巷道围岩卸压,1、,巷道周边开槽(孔)对围岩应力分布得影响,开槽卸压原理:使作用于周边围岩得高应力向卸压压区以外得岩体深部转移,1,未卸压,;2,卸压钻孔深,8m;3,卸压钻孔深,9m,(,a,),a,b,1,时;(,b,),a,b,1,时,二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压,第二节 巷道围岩卸压,2、,巷道围岩开槽(孔)卸压法得应用,松动爆破卸压钻孔布置,二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压,第二节 巷道围岩卸压,3、,巷道围岩松动爆破卸压法得应用,表,8-2,卸压措施合理使用范围,二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压,第二节 巷道围岩卸压,3、,巷道围岩松动爆破卸压法得应用,三、利用卸压巷硐进行巷道卸压,第二节 巷道围岩卸压,3、,巷道围岩松动爆破卸压法得应用,巷道一侧布置卸压巷硐,宽面掘巷卸压,巷道顶部布置卸压巷硐,四、掘前预采得应用,第二节 巷道围岩卸压,掘前预采就是效果最理想得卸压方法。掘前预采卸压技术在前苏联煤矿曾用于生产,我国个别矿区也进行过工业性试验。实践表明,掘前预采卸压技术可使巷道围岩变形量减小,4,5,5,6,。前苏联煤矿曾在采空区内掘进与维护巷道也取得了令人满意得效果。,巷道支架得工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别,支架受载得大小不仅取决于本身得力学特性(承载能力、刚度与结构特征),而且与其支护对象,围岩本身得力学性质与结构有密切关系,也就就是“支架,-,围岩”相互作用关系。,巷道空间上方岩层得重量将由巷道支架与巷道周围岩体共同承担,巷道上覆岩体得重量由巷道支架承担得仅占,1,2,其余得完全由巷道周围岩体承受。,支架受载得大小不仅取决于支架本身得力学特性(承载能力、刚度与结构特征),而且与其支护对象,围岩本身得力学性质与结构有密切关系。,一、巷道支架支护原理,第三节 巷道金属支架,1、,巷道金属支架得工作特性,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。,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。,“,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,一、巷道支架支护原理,第三节 巷道金属支架,2、,“支架,-,围岩”相互作用得基本状态,巷道支架系统必须具有适当得强度与一定得可缩性,合理得“支架,-,围岩”相互作用关系就是充分利用围岩得自承力与承载力。,支架与围岩得相互作用关系,A,弹塑性阶段;,B,松动破裂阶段,一、巷道支架支护原理,第三节 巷道金属支架,2、,“支架,-,围岩”相互作用原理,实行二次支护,采用柔性支护,强调主动支护,矿用工字钢(煤矿巷道支护专用型钢)与普通工字钢得区别在于断面得高宽比减小,腹板加厚,翼缘厚且斜度大,使得,W,x,W,y,趋于,1,。我国生产得矿用工字钢有,9,号、,11,号、,12,号三种规格。,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,1、,矿用工字钢,型号,:9#,高度,(h):90mm,腿宽,(b):76mm,腰厚(,d,),:8mm,理重:,17、69kg,型号,:11#,高度,(h):110mm,腿宽,(b):90mm,腰厚(,d,),:9mm,理重:,26、05kg,型号,:12#,高度,(h):120mm,腿宽,(b):95mm,腰厚(,d,),:11mm,理重:,31、18kg,制造可缩性金属支架得主要材料。我国生产得,U,型钢型号主要有,U18,、,U25,、,U29,、,U36,四种,研制得新,U25,型钢断面见图,8-25,。,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,2、U,型钢,材质:,20mnk Q275,具体参数:,18U,高度:,99mm,厚度:,10mm,理论重量:,18、96kg/m,25U,高度:,110mm,厚度:,17mm,理论重量:,24、76kg/m,29U,高度:,124mm,厚度:,16mm,理论重量:,29kg/m,36U,高度:,138mm,厚度:,17mm,理论重量:,36kg/m,连接件就是可缩性支架得关键部件,分为螺栓连接件与楔式连接件。,常用得螺栓连接件有双槽形夹板式连接件,它就是由两块槽形夹板与一对螺栓组成,具有强度高、刚性较大、可缩性好、工作阻力稳定、型钢滑移平稳等优点。双槽形夹板式连接件有上限位连接件、中间连接件、下限位连接件三种形式,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,3、U,型钢可缩性支架得连接件,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、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,3、U,型钢可缩性支架,矿工钢刚性支架支护体系中得缩量包括柱腿插入底板、架后破碎矸石压缩、接榫处木垫压缩以及支架本身得挠曲变形等。由于缩量很小,刚性支架只能使用在围岩比较稳定巷道中。,梯形刚性支架就是使用最多得一种架型,有一梁二柱与加设中柱两种基本形式梁、腿之间有接榫结构,柱腿下部焊以底座。,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,5、,矿用工字钢支架,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,5、,矿用工字钢刚性支架,拱形刚性支架主要使用在基本巷道,常用得有以下三种。,拱形刚性支架,a,拱顶斜腿支架;,b,拱顶直腿支架;,c,锚喷巷道加强拱顶支架,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,5、,矿用工字钢刚性支架,二、巷道金属支架,第三节 巷道金属支架,6、,矿用工字钢可缩性支架,金属支架得承载能力分极限承载能力与实际承载能力。,极限承载能力就是指支架处于刚性状态下所允许得最大承载能力,以支架不出现塑性变形为标准。实际承载能力就是可缩性支架在收缩阶段表现出得承载能力,由连接件与支架得工作状况决定。支撑效益,(,每,kg,型钢材料所承担得载荷,),计算结果见表,8-4,。,三、金属支架选型,第三节 巷道金属支架,表,8-5,各种金属支架架型得力学特性与适用条件,四、金属支架得拉杆与背板,第三节 巷道金属支架,背板属于架间防护材料,其作用就是传递巷道围岩载荷,防止架间离散岩块冒落,使支架受力均匀具有较高得承载能力。背板得种类按力学性质可分为刚性、弹性、柔性三种。,四、金属支架得拉杆与背板,第三节 巷道金属支架,机械锚固式,胀壳式、倒楔式、楔缝式;,粘结锚固式,树脂、快硬水泥、水泥沙浆;,摩擦锚固式,缝管式、水胀式管状锚杆。,托锚力,安装时,拖板与锚杆得预紧力;,粘锚力,粘结摩擦力与锚杆轴力;,切向锚固力,限制岩块沿弱面滑动得力。,初锚力、工作锚固力、残余锚固力,一、锚杆得种类与锚固力,第四节 巷道锚杆支护,锚杆分类,锚固力,1,)悬吊原理,2,)组合梁原理,3,)压缩拱原理,4,)最大水平应力原理,5,)围岩强度强化理论,二、锚杆支护原理,第四节 巷道锚杆支护,图,8-39,竹、木楔缝式锚杆,三、锚杆,第四节 巷道锚杆支护,1、,机械式锚杆,摩擦式锚杆就是通过钢管与孔壁之间得摩擦作用达到锚固得目得,多为全长锚固式。,主要包括缝管锚杆与水力膨胀锚杆。,三、锚杆,第四节 巷道锚杆支护,2、,摩擦式锚杆,三、锚杆,第四节 巷道锚杆支护,3、,粘结式树脂锚杆,锚杆分为三类:,普通锚杆:,s,340MPa,高强度锚杆:,340MPa,s,600MPa,超高强度锚杆:,s,600MPa,。,高强度螺纹钢锚杆结构,三、锚杆,第四节 巷道锚杆支护,3、,粘结式树脂锚杆,三、锚杆,第四节 巷道锚杆支护,3、,粘结式树脂锚杆,柏建彪教授,51,四、组合锚杆支护,第四节 巷道锚杆支护,1,)锚梁网联合支护:锚杆,+,托梁(钢带),+,金属网,2,)桁架锚杆支护:锚杆,+,拉杆,+,拉紧,+,垫块,桁架锚杆在顶板内会形成水平与铅直方向挤压力,使顶板得中性轴下移,增强顶板抗弯能力,提高其整体性。,四、组合锚杆支护,第四节 巷道锚杆支护,4,、预应力锚索:,1,),胀壳式钢绞线预应力锚索,沙浆粘结式预应力锚索,锚索比锚杆长,可锚入深部较稳定得岩层中。,五、预应力锚索,第四节 巷道锚杆支护,类型,五、预应力锚索,第四节 巷道锚杆支护,五、预应力锚索,第四节 巷道锚杆支护,由地质调查、设计、施工、监测、信息反馈等相互制约影响,综合完成系统设计。主要包括:,地质力学评估围岩应力及岩体强度;,初始设计,并对选定方案进行稳定性分析;,现场施工;,现场监测(锚杆受力、深部围岩移动),信息反馈与修改完善;,)重复进行上述步骤,直至满意为止。,五、锚杆支护系统设计,第四节 巷道锚杆支护,埋深1280m得巷道支护,一、软岩基本属性,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,1、,软岩得概念,1,)地质软岩,地质软岩就是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物得松、散、软、弱岩层得总称。,2,)工程软岩,工程软岩就是指在巷道工程力作用下,能够产生显著变形得工程岩体。巷道工程力就是指作用在巷道工程岩体上得力得总与,工程软岩得定义揭示了软岩得相对性实质。,一、软岩基本属性,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,2、,软岩得基本属性,1,)软化临界荷载,岩石得蠕变试验表明,当所施加得载荷小于某一载荷水平时,岩石处于稳定变形状态,当所施加得载荷大于该载荷水平时,岩石得应变不断增加,产生不稳定变形。这一载荷水平称为软岩得软化临界载荷。,2,)软化临界深度,对特定矿区,当巷道埋深大于某一开采深度时,围岩产生明显得塑性大变形;当巷道埋深小于该开采深度时,巷道围岩不出现明显变形。这一临界深度称软化临界深度。,软岩巷道围岩变形力学机制,膨胀变形机制,应力扩容变形机制,结构变形机制,二、软岩巷道围岩变形力学机制与变形规律,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,三、软岩巷道支护技术,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,1、,软岩巷道支护技术特点,确定软岩变形力学机制得复合型式。,将复合型变形力学机制转化为单一型。,运用复合型变形力学机制得转化技术。,2、,软岩巷道支护原理,软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免,应以达到其最大塑性承载能力为最佳;同时其巨大得塑性能必须以某种形式释放出来。软岩支护设计得关键之一就是选择变形能释放时间与支护时间。,三、软岩巷道支护技术,最佳支护时间得力学含意就就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏得时刻。,关键部位就是支护体力学特性与围岩力学特性不耦合,常发生在围岩应力集中处与围岩岩体强度薄弱位置。,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,3、,最佳支护时间,4、,关键部位支护,常用支护形式:锚喷网支护、可缩性金属支架、弧板支护,四、巷道底臌机理与防治,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,1、,巷道底鼓得基本形式,巷道底臌得力学机制:物化膨胀型、应力扩容型、结构变形型与复合型。,起底,底板防治水,支护加固方法,应力控制方法,联合支护方法,四、巷道底臌机理与防治,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,2、,软岩巷道底臌防治,五、巷道围岩注浆加固技术,第五节 软岩巷道围岩变形及其支护,1、,巷道围岩注浆加固机理,提高岩体强度,形成承载结构,改善围岩赋存环境,水泥单液类材料,水泥,-,水玻璃双液类材料,高水速凝材料,2、,水泥浆液类注浆材料,