巷道支护基础理论培训.pptx

马念杰马念杰 中国矿业大学（北京校区）电话：[phone]（O）[phone]（H）手机：[phone]Email:巷道支护理论基础主要内容一、一、矿井巷道及其主要支护形式矿井巷道及其主要支护形式二、二、巷道变形破坏原因分析巷道变形破坏原因分析三、三、巷道支护主要原则巷道支护主要原则四、四、改善巷道支护面貌的基本途径改善巷道支护面貌的基本途径一、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工程条件变化频繁，不确定性强，工程条件变化频繁，不确定性强，同一条巷道，类别相差同一条巷道，类别相差1212个级别：个级别：绝绝对对变变形形量量达达到到5001500mm5001500mm以以上上，一般为岩巷的几倍到几十倍一般为岩巷的几倍到几十倍煤煤巷巷的的维维护护特特点点高于自重应力数倍的强烈采动高应力作用高于自重应力数倍的强烈采动高应力作用巷道工程量大，服务时间短巷道工程量大，服务时间短煤巷的维护特点煤巷的维护特点支护对象：破裂煤岩体。顶板岩石松软、支护对象：破裂煤岩体。顶板岩石松软、破碎，节理、层理发育；两帮煤体既松破碎，节理、层理发育；两帮煤体既松软又性脆；围岩锚固性能差；软又性脆；围岩锚固性能差；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工字钢可缩性梯形支架结构适用巷道：适用巷道：围岩比较稳定受动压影响变形200500mmU型钢可缩性拱形支架适用巷道：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 型钢拱梯形可缩性支架U型钢可缩性圆形支架适用巷道：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：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有底臌锚杆支护梯形巷道锚杆支护拱形巷道常用支架的破坏形式 埋深小于埋深小于400m400m的煤巷，支护没有问题的煤巷，支护没有问题木支架、工字钢支架和木支架、工字钢支架和U U型钢可缩性支架型钢可缩性支架 埋深超过埋深超过600m600m，传统支护不能适应传统支护不能适应木支架和金属刚性支架彻底毁坏木支架和金属刚性支架彻底毁坏U U型钢可缩性支架严重变形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现代化采煤迫切需要高水平的锚杆支护 支架承载能力低，被动承载；不适应多数煤巷条件，支架损坏严重。棚式支架严重变形、损坏棚式支架严重变形、损坏工字钢梯形支架破坏形式工字钢变形录像工字钢变形录像U型钢拱形支架破坏形式金属支架支护巷道变形严重金属支架支护巷道变形严重严重变形拱形录像环形金属支架巷道变形严重环形金属支架巷道变形严重低强度普通的锚杆支护二、巷道变形破坏原因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1001000m，压力2502500t；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循环加载曲线三向应力试验泥岩三轴试验曲线岩石抗拉强度试验岩石抗剪强度试验地应力实测结果1冒落带;2裂隙带a覆岩为软岩层;b覆岩为中硬岩层;c覆岩为坚硬岩层不同类型覆岩开采后的破坏情况开采后上覆岩层分区与分带工作面周围应力集中开采形成的支承压力围岩松软破碎；受采动强烈影响，地应力大；巷道剧烈变形；煤巷上方应力升高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塑性区分布 (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。层状围岩巷道围岩区分布规律层状围岩巷道围岩区分布规律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0.51.5m，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。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；umax允许围岩最大位移量 三、巷道支护主要原则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。合理选择支架工作点合理利用围岩自承力的途径是使支架与围岩在相互约束的状态下共同承载，即在不导致围岩松动破坏的前提下，既充分利用围岩的自承力，又使支架提供的支护阻力最小。为此，应确定某一条件下，巷道支架的合理工作点。B点是支架的最佳工作点。为有一定安全储备，设计时，应使支架工作点保持离B点不远。提高围岩自承能力利用物理法和化学法加固围岩是提高其自承能力的有效措施。前者一般是将不同结构类型的锚杆打入煤或岩体内部，加固围岩；后者是将粘结剂注入煤或岩体内部，通过充填和固结煤或岩体中的裂隙和各种弱面，使之成为一个整体，达到增强围岩自承能力的目的。选择合理的支护方式与参数巷道的支护方式与参数应符合支架与围岩共同承载的原理。要根据具体条件，在刚性支架、可缩性支架、锚杆支护中进行合理的选择。刚性支架，一般只适用于顶底板移近率10的条件。采区巷道中大多数情况下要用可缩性支架或锚杆支护。四、改善巷道支护面貌的基本途径四、改善巷道支护面貌的基本途径（1 1）合理布置巷道）合理布置巷道（2 2）提高围岩强度）提高围岩强度（3 3）减小岩体应力）减小岩体应力（4 4）巷道支护）巷道支护1 1）空空间间上上尽尽量量避避免免支支承承压压力力的的强强烈烈影影响响、叠叠加加影影响响和和多多次次影影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。2 2）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。3 3）采采用用无无煤煤柱柱开开采采，必必须须留留煤煤柱柱时时在在保保证证煤煤柱柱稳稳定定的的条条件件尽尽可能小。可能小。4 4）如如果果需需要要留留煤煤桂桂保保护护巷巷道道，所所留留护护巷巷煤煤柱柱尺尺寸寸应应使使巷巷道道不不受支承压力影响或影响较小。受支承压力影响或影响较小。5 5）避避免免在在煤煤柱柱上上、下下方方布布置置巷巷道道。合合理理选选择择底底板板岩岩巷巷与与煤煤柱柱边缘的水平距离边缘的水平距离X X、与煤层垂直距离、与煤层垂直距离Z Z。6 6）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。7 7）巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之）巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之垂直。垂直。（1）巷道布置的原则）巷道布置的原则 煤层底板支承应力分布煤层底板支承应力分布已采区及其两侧煤柱的应力分布已采区及其两侧煤柱的应力分布冒落带；冒落带；裂隙带；裂隙带；弯曲下沉带；弯曲下沉带；A原始应力区；原始应力区；B1、B2应力增高区、应力增高区、C应力降低区；应力降低区；D应力稳定区应力稳定区 煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布上上覆覆岩岩层层容容重重；H埋埋藏藏深深度度：底底板板岩岩石石应应力力升升高高区区的的扩扩展展影影响响角角；Z被被跨跨巷巷道道与与上上部部回回采采煤煤层层间间的的法法线线距距；X-被被跨跨巷巷道道与与上上部部回回采采煤煤柱柱边边缘缘的的水水平平距距 巷道布置在低压区巷道布置在低压区（2）提高围岩强度）提高围岩强度布置在稳定岩层中；布置在稳定岩层中；布置锚杆，强化围岩强度；布置锚杆，强化围岩强度；围岩注浆，提高岩体强度；围岩注浆，提高岩体强度；封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降低低 注浆材料注浆材料（1 1）材料类别）材料类别化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆；液浆；ZKDZKD高水速凝材料（双液或单液）高水速凝材料（双液或单液）注浆加固围岩注浆加固围岩（3）减小岩体应力）减小岩体应力合理布置巷道：合理布置巷道：时间、空间上减少巷道承受支承压力影响，巷时间、空间上减少巷道承受支承压力影响，巷道布置在应力降低区；道布置在应力降低区；合理设计煤柱尺寸；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响考虑最大水平应力的影响 巷道卸压：跨采进行巷道卸压；巷道卸压：跨采进行巷道卸压；开槽卸压；震动爆破卸压；开槽卸压；震动爆破卸压；布置卸压峒室卸压布置卸压峒室卸压巷内开槽孔松动爆破巷道一侧或两侧布置巷道巷道顶板掘巷的应力转移原理与关键技术巷道底板掘巷的应力转移原理与关键技术煤层上行开采的应力转移原理与关键技术巷道迎头超前钻孔应力转移原理与关键技术进行应力转移进行应力转移硐硐 室室卸压巷卸压巷卸压巷卸压巷底板开巷松动爆破卸压图底板开巷松动爆破卸压图 锚杆；锚杆；松动爆破炮眼松动爆破炮眼松动爆破卸压松动爆破卸压巷道一侧有卸压巷道时的应力分布巷道一侧有卸压巷道时的应力分布 巷道一侧或两侧布置卸压巷硐巷道一侧或两侧布置卸压巷硐有无顶部卸压巷时的巷道围岩应力分布有无顶部卸压巷时的巷道围岩应力分布 巷道顶部布置卸压巷硐巷道顶部布置卸压巷硐巷道迎头钻孔实现应力转移（4）巷道支护）巷道支护巷道金属支架巷道金属支架 作作用用：给给围围岩岩提提供供支支护护阻阻力力；当当前前注注意意：可可缩缩性性支支架架的的使使用用界界限限、连连接接件件、矿矿工工钢钢可可缩缩支支架、支架壁后密实。架、支架壁后密实。锚杆支护锚杆支护 作作用用：强强化化围围岩岩强强度度；围围岩岩强强度度强强化化理理论论、高高强强（超超高高）强强度度锚锚杆杆、设设计计方方法法、复复杂杂条条件件下的锚杆支护、桁架锚杆支护。下的锚杆支护、桁架锚杆支护。近20年两次对煤矿开采有重大影响的技术革命80年代综合（综放）机械化采煤技术保证了安全效高生产一个工作面年产量从1020万t，提高到50100万t，100 200万t，最高的500600万t。因此回采面的潜力非常大。锚杆支护意义“煤巷锚杆支护是继我国煤炭行业发展综合机械化采煤以来的第二次技术革命”(王森浩部长)彻底改善了巷道的维护条件，保持了巷道围岩的稳定性煤炭产量提高27%，回采工效提高33%，效益提高28%。每年为煤炭行业节约数十亿元人民币.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。设计方法问题锚杆支护技术进展顶板顶板由普通锚杆向高强锚杆发展由普通锚杆向高强锚杆发展缺点：锚杆一般不可延伸，出现破断缺点：锚杆一般不可延伸，出现破断两帮两帮由性能很差的木锚杆向金属锚杆发展由性能很差的木锚杆向金属锚杆发展缺点：采煤机不能直接切割，否则将存在煤尘缺点：采煤机不能直接切割，否则将存在煤尘瓦斯爆炸的隐患瓦斯爆炸的隐患立立项项背背景景锚杆支护在煤矿生产中的应用国内开采深度小于400m巷道类别-类以下（比例：48）在类围岩条件下使用锚杆支护经常发生冒顶事故使用支架支护国外澳大利亚:锚杆支护比例达到100使用大煤柱，煤炭损失高达35不能使用锚杆支护的煤层不开采德国在条件较好时使用锚杆支护困难条件使用支架支护立立项项背背景景锚杆支护理论研究现状悬吊理论、组合梁理论、挤压拱理论等悬吊理论、组合梁理论、挤压拱理论等认为锚杆支护适用于中等稳定以上围岩条件认为锚杆支护适用于中等稳定以上围岩条件没有涉破裂围岩中锚杆支护机理（峰后强度）没有涉破裂围岩中锚杆支护机理（峰后强度）立立项项背背景景锚杆支护失败原因分析立立项项背背景景锚杆支护失败原因分析设计方法设计方法不合适不合适支护理论支护理论落后落后锚杆结构锚杆结构不合理不合理立立项项背背景景原锚杆支护理论落后认为锚杆支护不适用于如下条件小煤柱巷道顶板破碎高应力我国70以上锚杆支护设计方法不合适应用了以点带面的设计方法应用了以点带面的设计方法用复杂应力和围岩环境的平均值进行大范围巷道用复杂应力和围岩环境的平均值进行大范围巷道锚杆支护参数设计锚杆支护参数设计万分之五局部巷道冒顶万分之五局部巷道冒顶8080以上的巷道支护过剩以上的巷道支护过剩 立立项项背背景景凿岩机YT27凿岩机凿岩机(气腿式气腿式)YMYT-115Q型液压锚杆钻机型液压锚杆钻机（全方位）（全方位）液压钻车TROCK712.TROCK812系列全系列全液压钻车液压钻车掘进机采煤录像采煤录像玻璃钢帮锚杆生产录像玻璃钢帮锚杆生产录像刀柱法充填法缓慢下沉法全部垮落法采煤作业时的顶板管理方式巷道掘进时变形速度曲线无老顶时层状顶板采动时围岩变形破坏有老顶时层状顶板采动时围岩变形破坏无直接顶时层状顶板采动时围岩变形破坏直接顶切断时层状顶板采动时围岩变形破坏老顶切断有直接顶时层状顶板采动时围岩变形破坏原煤巷支护是制约矿井开采的重大难题-显德汪矿煤层强度1.52.0Mpa-孙村矿垂向应力28.35Mpax；平顶山11矿18.3MPax岩石与软钢应力应变曲线岩石试件主破裂面岩石破裂面岩块轴向与横向应力应变曲线大理石三轴试验曲线直剪试验点载荷试验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24倍。巷道围岩稳定性是指各种地下工程在施工和使用中，巷道(或硐室)周围岩体稳定程度。它与岩体性质、地质构造、地应力、回采动压、地下水、巷道跨度与形状及施工方法等许多因素有关。巷道围岩变形是其稳定性的反映，是各种影响因素综合影响的结果。采场周围应力分布煤柱护巷巷道原岩巷道周围因受采掘影响而使应力发生显著变化的范围(以大于原岩应力5%为界)内所包含的岩体称为“巷道围岩”、而将该范围以外的岩体称为“原岩”。二、动压巷道围岩变形破坏规律二、动压巷道围岩变形破坏规律围岩不均匀的整体下沉和局部上升围岩不均匀的整体下沉和局部上升力学分析力学分析围岩不均匀的整体下沉和局部上升围岩不均匀的整体下沉和局部上升大大面面积积开开采采、动动压压和和不不同同护护巷巷方方式式引引起起高高应应力力区区下下沉沉、应应力力降低区上升。降低区上升。图图1 1 相似材料模拟试验结果相似材料模拟试验结果u u1 1、u u2 2、u u3 3、u u4 4、u u5 5下沉曲线下沉曲线D D1 1、D D2 2、D D3 3破断曲线破断曲线 （a a）（b b）图图2 2 两帮下沉与底鼓关系两帮下沉与底鼓关系（a a）东庞矿（中硬岩）；（东庞矿（中硬岩）；（b b）黄塘岭矿（软岩）黄塘岭矿（软岩）巷道两帮下沉引起底鼓巷道两帮下沉引起底鼓两帮下沉、底角破坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、两帮下沉、底角破坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、离层离层 。巷道底板深基点位移巷道底板深基点位移 巷道底板垂直位移巷道底板垂直位移NoNo垂直位移为零；垂直位移为零；N N零应变点零应变点 浅部鼓起，深部下沉；浅部鼓起，深部下沉；与采煤工作面距离不同而变化。与采煤工作面距离不同而变化。权台矿现场实测权台矿现场实测（1 1）Q Q(y y)作用下作用下M M点的位移点的位移根根据据弹弹性性力力学学理理论论，平平面面应应变变条条件件下下的的半半无无限限平平面面体体，Q Q(y)y)d dy y 载载荷荷作作用用下下M M点点的的垂直位移分量垂直位移分量d du ux x图图5 5 力学计算简图力学计算简图力学分析力学分析 Q Q(y y)作用下，作用下，M M点的垂直位移点的垂直位移u ux x 等于式（等于式（1 1）在）在 a,ba,b 区间上的积分区间上的积分。(2)煤柱巷道底板等效载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布 简化的载荷分布简化的载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布 各区段分布载荷在巷道底板各区段分布载荷在巷道底板 中心线上引起的垂直位移中心线上引起的垂直位移 巷道底板中心线上巷道底板中心线上 总的垂直位移总的垂直位移底板中心线上的垂直位移底板中心线上的垂直位移煤巷锚杆支护是高产高效的途径从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”支护，可以充分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳定性，将载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。从技术经济上对比，锚杆支护可以节约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。锚杆支护效益 巷道掘进阶段（）掘进巷道仅对小范围岩体造成扰动，故一般情况下矿压显现不会很剧烈.无采掘影响阶段（）顶底板移近速度比掘进期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。采动影响阶段（）采动影响是由于回采工作引起围岩应力再次重新分布而造成的。这阶段中矿压显现也最强烈。采动影响稳定阶段（）这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定的阶段，故其围岩移动特征基本上与无采掘影响阶段类似。二次采动影响阶段（）二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，但由于这种情况下巷道受到下区段工作面超前支承压力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用，二次采动影响的剧烈程度和影响范围都会比一次采动影响稍大。移近速度曲线移近量曲线巷道矿山压力显现的基 本规律圆形巷道围岩塑性区圆形巷道围岩塑性区划分划分3 巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升