矿山压力与岩层控制8zi巷道维护原理与支护技术课件

第八章 巷道维护原理和支护技术第一节 无煤柱护巷第二节 巷道围岩卸压第三节 巷道金属支架第四节 巷道锚杆支护第五节 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术第六节 锚杆支护质量监测矿山压力与岩层控制图8-1 留煤柱护巷示意图第一节 无煤柱护巷一、一、护巷煤柱的稳定性传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区（一）煤柱的载荷1煤柱载荷的估算图8-2 计算煤柱载荷示意图 2煤柱宽度的理论计算 护巷煤柱宽度的理论计算有按煤柱的允许应力，煤柱能承受的极限载荷，以及按煤柱应力分布等多种方法。各种方法的基本观点都认为：煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷不超过它的极限强度R(七章一节)。煤柱的宽度B计算式：（二）煤柱的应力分布1一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布图8-3 煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布 1弹性应力分布；2弹塑性应力分布；破裂区；塑性区；弹性区应力升高部分；原始应力区2两侧采空煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布 两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决于回采引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B，主要有三种类型：B2L时（图8-4）2LBL时，见图8-5。BL时(图8-6）,受两侧采动影响时，K值可达到45以上.图8-4 煤柱宽度很大时弹塑性变形区及垂直应力分布 破裂区；塑性区；中部为原岩应力的弹性区 图8-5 煤柱宽度较大时弹塑性变形区及垂直应力分布 破裂区；塑性区；应力升高的弹性区图8-6 宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布 破裂区；塑性区；弹性区 图8-7 煤柱的弹塑性变形区及应力分布（三）、护巷煤柱的稳定性(1)护巷煤柱的宽度 煤柱的宽度是影响煤柱的稳定性和巷道维护的主要因素(2)护巷煤柱保持稳定的基本条件 护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为x0、x1（图8-7）。因此，护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤柱高度的2倍。二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系(1)在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度差异悬殊。(2)沿空巷道顶板岩层处于采空区上覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。(3)沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影响最显著,老顶一般可视为亚关键层。图8-8 采空区上覆岩层结构示意图图8-9 回采工作面倾斜方向支承压力分布a顶底板为砂岩 b顶底板为泥质或较破碎的砂质页岩 三、沿空掘巷的矿压显现规律（一）沿倾斜方向支承压力分布规律（二）巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系表8-1 回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值B/m图8-10 -x关系曲线示意图（三）沿空掘巷的矿压显现1沿空掘巷的围岩应力和围岩变形图8-11 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布 1掘巷前的应力分布 2掘巷后的应力分布 图8-12 窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布 1掘巷前的应力分布 2掘巷后的应力分布 2窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形 窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留58m宽的煤柱。巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向煤体内应力分布（图8-12中1）。最终应力分布状态如图8-12中2所示。图8-13 完全沿空掘巷 图8-14 留小煤墙沿空掘巷沿空掘巷的二种方式：完全沿空掘巷、留小煤柱掘巷方式。四、沿空留巷的矿压显现1采动时期的受力状况 沿空留巷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（图8-15）。2沿空留巷的顶板下沉规律 回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其发展是自下而上的，上部具有明显的滞后现象，沿空留巷的顶板会在较长时间内受到老顶上覆岩层运动的影响。图8-15 沿空留巷工作面巷道平面布置图a向长壁沿空留巷 b倾斜长壁沿空留巷 五、沿空留巷巷旁支护形式1 巷旁支护的作用 巷旁支护是指巷道断面范围以外，与采区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构筑物。它的作用主要有：控制直接顶的离层和及时切断直接顶板，使垮落矸石在采空区内充填支撑老顶，减少上覆岩层的弯曲下沉。减少巷内支护所承受的载荷，保持巷道围岩稳定。同时为了生产安全，及时封闭采空区，防止漏风和煤炭自燃发火，避免采空区内有害气体逸出。2巷旁支护的类型和适用条件 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。它们的主要缺点是，增阻速度慢、支承能力低、密封性能差、木材消耗多和机械化程度不高。3整体浇注巷旁充填技术 整体浇注巷旁充填技术具有增阻速度快、支承能力大、密封性能好和机械化程度高等优点，使发展沿空留巷技术的关键问题得到解决。第二节 巷道围岩卸压 一、跨巷回采进行巷道卸压1跨巷回采卸压的机理 根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可在巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置。2、跨巷回采的应用及矿压显现规律 跨巷回采期间，巷道将顺次受到跨采面的超前支承压力和上覆岩层垮落的影响，剧烈影响范围和程度与开采深度、围岩的力学性质及巷道与开采煤层的法向距离有关。只要与采空区煤壁边缘的水平距离适当，跨采后巷道可以长期处于应力降低区。图8-16 区段煤柱对跨采上山围岩变形的影响 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较宽的煤柱维护上山 图8-17 切缝对圆形巷道周边应力分布的影响 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1巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响2巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用图8-18 钻孔卸压现场试验结果 1未卸压 2卸压钻孔深8m 3卸压钻孔深9m 3巷道围岩松动爆破卸压法的应用 图8-20 松动爆破卸压钻孔布置 三、利用卸压巷硐进行巷道卸压 利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。图8-21 巷道一侧卸压巷硐的卸压原理 1被保护巷道；2卸压巷道；3让压煤柱；4承载煤柱 1在巷道一侧布置卸压巷硐 在护巷煤柱中与巷道间隔一段距离掘一条卸压巷道，形成的窄煤柱称为让压煤柱，宽煤柱称为承载煤柱 图8-22 胶带输送机硐室顶部卸压1输送机硐室；2卸压巷道；3松动爆破区2在巷道顶部布置卸压巷硐 卸压巷硐布置在被保护巷道与上部开采煤层之间,使被保护巷道避开上部煤层跨采时产生的剧烈影响，处于卸压巷硐形成的应力降低区内。图8-23 本煤层沿顶板布置卸压巷道卸压表8-3 卸压前后巷道围岩变形参数对比图8-24 宽巷（面）掘进卸压 1宽巷（面）掘进卸压后支承压力分布；2侧巷3、宽面掘巷卸压 宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把巷道两侧68m宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的空间，图8-25 掘前预采巷道布置示意图 四、掘前预采的应用第三节 巷道金属支架一、巷道支架支护原理 巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。2“支架-围岩”相互作用的基本状态当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。当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。图8-26 “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3“支架-围岩”相互作用原理 巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，合理的“支架-围岩”相互作用关系是充分利用围岩天然的自承力和承载力。图8-27 支架与围岩的相互作用关系A弹塑性阶段；B松动破裂阶段 4“支架-围岩”相互作用原理的应用 依据“支架-围岩”相互作用原理，在巷道支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：（1）实行二次支护（2）采用柔性支护（3）强调主动支护图8-28 新U25型钢断面图 二、二、巷道金属支架（一）矿用支护 U型钢(a)(b)(c)图8-29 双槽形夹板式连接件 a上限位连接件；b中间连接件；c下限位连接件 1上限位块 2下限位块 图8-30 拱形可缩性金属支架基本结构类型 a三节式；b四节式；c五节式；d曲腿式；e非对称式；f封闭图8-31 拱形支架断面基本参数 表8-4 我国拱形支架断面基本参数推荐值图8-32 四节多铰摩擦可缩 支架结构 1U型钢；2铰结点；3耳卡式连接件图8-33 U型钢拱梯形可 缩性支架断面参数图8-34 马蹄形可缩 性支架 图8-35 圆形可缩性支架 图8-36 环形可缩性支架 a方环形；b长环形三、巷道支架选型1金属支架的承载能力 金属支架的承载能力分极限承载能力和实际承载能力。极限承载能力是指支架处于刚性状态下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑性变形为标准。实际承载能力是可缩性支架在收缩阶段表现出的承载能力，由连接件和支架的工作状况决定。表8-5 不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益2支架承载能力的计算 力法以静不定结构中的多余约束力作为基本未知数，根据结构的变形条件建立方程，求解出多余未知力，然后根据平衡方程求出内力。位移法是以静不定结构中的节点位移作为基本未知数，根据结点或截面的平衡条件建立方程，求出位移值，然后根据结点位移与内力的关系式求出内力。对于支架形状、载荷分布比较复杂的问题，可以选用平面刚架的有限元计算程序计算支架内力。表8-6 各种金属支架架型的力学特性和适用条件四、金属支架的拉杆和背板（1）拉杆 单个支架之间用拉杆使支架沿巷道轴向相互联成一体，可以防止支架歪斜、扭转，增加支架的纵向约束提高支架的稳定性和承载能力。常用的拉杆有圆钢拉杆、扁钢拉杆、角钢拉杆、可调节拉杆等。（2）背板 背板属于架间防护材料，其作用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的承载能力。背板的种类按力学性质可分为刚性、弹性、柔性三种。第四节 巷道锚杆支护一、一、锚杆种类和锚固力 锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。1锚杆的分类最基本的分类方法是按锚杆的锚固方式划分为：机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆。粘结锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。摩擦锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。2锚杆的锚固力（1）根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力托锚力 粘锚力切向锚固力（2）根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力初锚力 工作锚固力 残余锚固力 二、锚杆支护理论（1）悬吊理论锚杆支护悬吊作用（2）组合梁理论层状顶板锚杆组合梁（3）组合拱（压缩拱）理论锚杆组合拱原理（4）最大水平应力理论 图8-41 最大水平应力原理（5）围岩强度强化理论围岩强度强化理论的要点如下：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构。(2)巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数（E、C、），改善被锚固岩体的力学性能。(3)巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区的岩体则处于破碎区或处于上述23个区域中，相应锚固区的岩石强度处于峰后强度或残余强度。锚杆支护使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度。(4)煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载能力。(5)巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。三、锚杆（一）机械式锚杆图8-42 竹、木楔缝式锚杆（二）摩擦式锚杆（1）缝管式锚杆图8-43 缝管锚杆（2）水力膨胀锚杆图8-44 水力膨胀锚杆（三）粘结式锚杆图8-45 高强度螺纹钢锚杆结构 1 树脂药卷；2杆体；3穹形球体；4托盘；5塑料1硬木内楔2木杆体；3木托板；4硬木外楔；5竹杆体增压垫圈；6驱动螺母（1）锚固剂 表8-9 不同型号锚固剂的凝胶时间（2）锚杆杆体图8-46 端头锚固式 锚杆受力特征1内锚头；2托板 图8-47 全长锚固锚杆锚 固力分布 1托锚力 2剪锚力图8-48 全长锚固锚杆体受力状态 杆体剪应力 杆体拉应力 图8-49 不同螺纹钢锚杆 锚固力试验（3）锚杆托板与螺母图 8-50 各种托板形式示意图图8-51 扭矩螺母（四）可延伸和可切割、可回收锚杆图8-52 套筒摩擦式可延伸锚杆四、组合锚杆（一）锚梁网联合支护（1）W型钢带图8-53 W型钢带形状（3）M型钢带 图8-55 M型钢带断面形状（2）钢筋梯子梁图8-54 钢筋梯子梁形状（二）桁架锚杆支护 图8-56 单式双拉杆桁架锚杆 1锚头；2锚杆；3托架；4水平拉杆 图8-57 复式桁架锚杆 1锚杆；2拉杆；3拉紧器；4垫木 图8-58 交叉桁架锚杆 图8-59 桁架锚杆支护作用力 五、预应力锚索 预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长，能够锚入深部较稳定的岩层中，同时施加较大的预应力。常见的预应力锚索有胀壳式钢绞线预应力锚索和砂浆粘结式预应力锚索。图8-60 小口径预应力锚索结构六、巷道锚杆支护设计（1）工程类比法 直接工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在地质和生产技术条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。（2）理论计算法（3）系统设计法系统设计方法包括6个基本部分：地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩体力学性质评估。初始设计，以有限差分数值模拟分析为主要手段，辅以工程类比和理论计算法。按初始设计选定的方案进行施工。现场监测。信息反馈与修改、完善设计。重复进行由初始设计至信息反馈与修改、完善设计步骤。第五节 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术一、软岩的基本属性1软岩的概念（1）地质软岩（2）工程软岩2软岩的基本属性（1）软化临界荷载（2）软化临界深度二、二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律 软岩巷道围岩变形力学机制(1)膨胀变形机制(2)应力扩容变形机制(3)结构变形机制 表8-13 软岩类型及变形特性三、软岩巷道支护技术（一）软岩巷道支护技术特点 确定软岩变形力学机制的复合型式。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的转化技术。(二）软岩巷道支护原理（1）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；同时其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来。软岩支护设计的关键之一是选择变形能释放时间和支护时间。（2）最佳支护时间和时段图8-61 最佳支护时间Ts(3)最佳支护时间的物理意义最佳支护时间的力学含意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的时刻。（4）关键部位支护关键部位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和围岩岩体强度薄弱位置。（三）软岩巷道常用支护形式（1）锚喷网支护（2）可缩性金属支架（3）弧板支护四、巷道底臌机理和防治1巷道底臌的基本形式 巷道底臌的力学机制仍然是物化膨胀型、应力扩容型、结构变形型和复合型。巷道底臌的形状可分为折曲型、直线型及弧线型。2.巷道底臌的影响因素（1）岩性状态（2）围岩应力状态（3）时间效应（4）软岩物化性质及力学性质的相互影响3软岩巷道底臌的防治（1）起底（2）底板防治水（3）支护加固方法（4）应力控制方法（5）联合支护方法五、巷道围岩注浆加固技术1巷道围岩注浆加固机理（1）提高岩体强度（2）形成承载结构（3）改善围岩赋存环境 2水泥浆液类注浆材料 （1）水泥单液类材料 （2）水泥-水玻璃双液类材料 （3）高水速凝材料六、巷道支架架后充填1巷道支架架后充填的必要性 采用爆破法掘进巷道，掘进断面很难与支架外廓相互吻合，从而不可避免地在支架背后形成架后空间。生产实践表明，架后空间的存在会对“支架-围岩”的相互作用产生极为不利的影响。2巷道支架架后充填的作用 围岩的载荷通过充填层使支架承受均布载荷。及时架后充填可起到封闭围岩的作用。起到加固围岩的作用。及时抑制围岩变形，改变支架被动承载状况。围岩释放的变形能可部分地为充填层所吸收。3架后充填工艺 湿式充填 干式充填七、软岩巷道锚注支护 软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化。对于节理裂隙发育的岩体，注浆可以改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，显著提高岩体强度。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础。锚注式（外锚内注式）锚杆结构和施工工艺 图8-62 外锚内注式锚杆和参数 1空心钢管；2注浆段；3锚固段；4尾部螺 纹段；5挡环；6射浆孔 锚注式（内锚外注式）锚杆结构和施工工艺 图8-63 内锚外注式锚杆结构 1喷层；2托盘；3环状塞；4杆体 5出浆孔；6挡环；7锚固剂 第六节 锚杆支护质量监测1锚杆支护质量检查锚杆支护材料性能、强度及结构必须与锚杆的设计锚固力相匹配。锚杆施工必须符合施工组织设计或作业规程。检查锚杆支护质量必须做抗拔力试验。每班对顶帮锚杆各抽样一组（3根）进行锚杆螺母扭矩检查。2锚杆支护质量监测（1）测力锚杆图8-64 测力锚杆轴向力和弯矩变化曲线（2）锚杆测力计（3）顶板离层指示仪图8-65 顶板离层指示仪的安装 图8-66 顶板离层曲线 a锚固区内；b锚固区外