巷道围岩应力转移理论与技术.ppt

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1、巷道围岩应力转移理论与技术中国矿业大学中国矿业大学 柏建彪柏建彪（博士、教授）（博士、教授）王襄禹（讲师）王襄禹（讲师）1 11概述2巷道围岩应力转移的理论研究基础3顶板掘巷应力转移原理与技术4底板掘巷的应力转移原理与技术5煤层上行开采的应力转移原理与技术6 巷道底板松动爆破应力转移与注浆加固技术7巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术8国内外其它技术主要内容2 21.概述概述3 3围岩松软破碎围岩松软破碎 单轴抗压强度单轴抗压强度3040MPa 深井（自重应力）深井（自重应力）高应力高应力 采动应力（原岩应力的采动应力（原岩应力的28倍）倍）构造应力构造应力松软破碎高应力松软破碎高应力大变形巷道

2、难维护的原因大变形巷道难维护的原因4 42第一类，围岩软弱型，即软岩巷道2第二类，采动影响型，即动压巷道2第三类，深井高应力型，即深井巷道高应力巷道类型高应力巷道类型5 5我国国有大中型煤矿开采深度每年约以1012 m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩体强度时，有关岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化，造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安全生产。深井软岩成为重点6 6矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，岩石峰后状态和

3、性质、长时强度发生变化等特点。这些特点造成巷道维护困难、维护费用高，影响生产等一系列问题。高应力巷道特点7 7合理可靠的支护合理可靠的支护 加固围岩加固围岩 （锚杆、注浆锚杆、注浆）围岩应力转移围岩应力转移上述综合技术上述综合技术高应力巷道围岩控制的技术途径高应力巷道围岩控制的技术途径8 8对于高应力巷道来说，相对降低围岩应力以达到保护巷道的方法是控制巷道围岩变形的根本因此，从控制应力的角度出发提出“巷道围岩应力转移理论与技术”的研究问题 研究巷道围岩应力转移9 92.巷道围岩应力转移的巷道围岩应力转移的理论研究基础理论研究基础1010u力学模型的建立煤矿上行开采时，先采下部煤层，可以减少上部

4、煤层的应力。要想上行开采取得成功，必须了解开采下部煤层时，上部煤层原岩应力以及开采支承压力减少的情况，了解下部煤层顶板中应力场的变化情况。下部煤层可设定为带状无限长板，通过复变函数方法对弹性带状无限长板应力问题进行求解，建立以下力学模型。1、上行开采的应力转移原理1111u力学模型的建立根据带状无限长板的应力函数，结合边界条件，计算得到板的应力解析表达式为：公式比较复杂，需用数值积分计算1212u2、开采煤层顶板中的应力在煤矿开采过程中，采空区出现垮落带，结构模型简化如图。13132算例：取垮落带宽度为200m，两侧未采煤层距垮落带中心x轴距离为100m，顶板承受的上部载荷（原岩应力）p0=1

5、0.5MPa，底部煤柱支承载荷p1=21MPa，计算宽度100m，上部载荷作用的范围为400m，顶板厚度a=50m，则得到垂直应力分布图如下可见，采空区上方垂直应力有大幅度减少，距离采空区越近减少幅度越大，随着远离采空区逐步增大，逐渐恢复到原岩应力。煤柱附近垂直应力的值较大，且均为压应力；随着距离的增加，应力逐渐减小，逐渐恢复到原岩应力。煤柱侧距煤柱距离/m采空区侧煤柱1414对高应力巷道而言，在顶板中或底板中开掘巷道并松动爆破，形成卸压带，从而将围岩应力往深部转移，降低了被保护巷道围岩浅部的应力，这是一种巷道保护的有效方法。为简化计算，对于顶板或底板中开掘的大面积卸压带，可以将其简化为狭长椭

6、圆形。关于椭圆孔的平面问题，通过复变函数计算，给出了卸压孔周围较大范围围岩应力分布的理论计算公式，通过这些公式可以比较方便的进行围岩应力分布的计算。3、顶、底板掘巷及松动爆破围岩应力转移原理1515顶板掘巷的应力转移原理u巷道顶板掘巷实现应力转移的简单模型 1616底板掘巷的应力转移原理u简单模型 1717u狭长椭圆孔口孔边无均布压力的复变函数通解1818u狭长椭圆孔口孔边有均布压力的复变函数通解19192算例：取qx=0.5，qy=1，椭圆长轴a15m，短轴b0.5m，孔边内压q=0.1，计算结果如下(分别为卸压孔正上方的水平应力和垂直应力等值线图)u狭长松动爆破卸压孔围岩应力计算20202

7、椭圆卸压孔对侧向压力的降低效果不太明显；而对垂直压力的降低效果显著，可根据实际需要改变卸压孔的尺寸来控制对垂直应力降低的效果。因此对于采动影响下顶板移近量大的峒室和巷道是十分有效的围岩应力转移的技术途径。u结论21213顶板掘巷顶板掘巷应力转移原理与技术应力转移原理与技术2222顶板掘巷的应力转移原理u巷道顶板掘巷实现应力转移的简单模型 2323u巷道顶部掘巷实现应力转移的效果2424鲍店煤矿工程实例u胶带输送机硐室与回采工作面的关系兖州矿业集团公司鲍店煤矿矿井北翼布置一条轨道大巷和一条胶带运输机大巷，轨道大巷布置在430水平，胶带运输大巷高于轨道大巷5 m，两巷水平间距30 m。胶带输送机硐

8、室位于1306工作面南侧50 m处，其与邻近巷道的位置关系如下图所示。该硐室及其大巷均处于二迭系山西组3#煤层底板泥岩或粘土页岩中，与3#煤层间距为28 60 m。矿井北翼的生产采区都按倾斜长壁采煤法布置并使工作面跨大巷仰斜开采。该采区内，3#煤层为主采煤层，其平均厚度为9 m，分3层开采，分层采高2.8 3.0 m。2525u胶带输送机硐室与回采工作面的关系2626u问题的提出由于北翼采区的1301和1304工作面的开采，随着工作面的推进，巷道受到了相当严重的破坏，特别是1304工作面跨大巷回采期间，北翼胶带输送机大巷底鼓量达1235 mm，顶板下沉量达388 mm，两帮最大移近量达1250

9、 mm，断面缩小为原断面的55%。北翼胶带输送机大巷的破坏不仅严重影响了矿井的正常生产，而且巨大的巷道维护费用也大大降低了矿井的经济效益。2727u顶部掘巷的研究方案为解决问题，初步提出以下五种方案，利用数值计算方法进行研究：方案一：无顶部卸压巷时方案二：硐室顶部开掘82 m2卸压巷方案三：硐室顶部开掘122 m2卸压巷方案四：硐室顶部开掘162 m2卸压巷方案五：硐室顶部开掘202 m2卸压巷2828u研究结果一：对控制围岩变形的影响方案方案1 12 23 34 45 5底鼓量（底鼓量（mmmm）2012011701701351351021026767比比值值1 10.850.85 0.68

10、0.68 0.510.51 0.330.332929u研究结果二：对围岩应力场的影响3030u顶部卸压巷设计方案3131u现场实测分析2112位移速度1顶底2两帮32324底板掘巷底板掘巷应力转移原理与技术应力转移原理与技术3333底板掘巷的应力转移原理u简单模型 3434蒋庄煤矿工程实例u问题的提出蒋庄煤矿南翼一部和二部强力胶带输送机担负着矿井水平的南翼煤岩输送任务，因此其机头硐室群的良好维护就是十分重要的问题，一旦出现问题，势必影响到全矿井的生产。3535u胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面平面位置对照图3636u南翼二部强力胶带输送机头硐室群平面图3737u硐室维护的难点1、硐

11、室群的组成复杂：有三个电机硐室、1个张紧绞车硐室、转载机巷、操作间及几条与硐室相连通的巷道组成。2、3上煤层开采对硐室的影响：该煤层距硐室30 m。（已采）3、3下煤层开采对硐室群影响大：硐室群距离3下煤层约15m。4、硐室群的维护效果要求高：不允许有明显底鼓和基础破坏。5、主要硐室的断面大。3838u计算结果1：垂直应力的转移效果硐室受采动影响期间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主要硐室周边的垂直应力最大为40 MPa左右。采用应力转移技术后，主要硐室周边的垂直应力降低为7.5 MPa左右。效果十分明显。3939u计算结果2：水平应力的转移效果受采动影响期间，不采用应力转移技术时，硐室底板最

12、大水平应力为48 MPa。采用转移技术后，主硐室底板的水平应力减小为15 MPa左右。4040u计算结果3：垂直位移的控制效果硐室受采动影响期时间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主硐室顶板下沉量可达193.4 mm，底鼓量达158.8 mm。采用应力转移技术后，主硐室基本无底鼓。效果显著。4141u应力转移技术对围岩的控制效果比较注：（）内数字表示采取应力转移技术与不采取应力转移技术时的变形比值。负值表示整体下沉。4242u卸压巷主要参数的研究模型4343u工业性试验方案4444u围岩变形实测（1）采动影响下，围岩变形不明显。（2）硐室两帮相对移近量在20 mm之内。（3）底鼓量在10 mm左

13、右。45455煤层上行开采煤层上行开采应力转移原理与技术应力转移原理与技术4646基本的应力转移原理上行开采应力转移的基本原理为：下部煤层先行开采后，在采空区上方形成冒落带、裂隙带、缓沉带，上部煤层处于裂隙带或缓沉带内。此时，上部煤层的应力发生了转移，下部煤层采空区上方的应力基本转移到周围煤体上，因而此区域的应力显著降低。将上部煤层的巷道和工作面布置在下部煤层开采边界影响范围以内，即布置在煤岩层已发生充分移动变形的区域内，巷道和工作面处于应力已经转移的低应力区，可以显著降低支护难度，有效提高矿井的生产安全水平。4747孙村煤矿工程实例u问题的提出孙村煤矿-800m水平埋深达980m，属于深部开

14、采范畴。不仅如此，其原岩应力中最大水平主应力与垂直主应力之比为1.34:1.0，属构造应力复杂区域。当受到采动影响后围岩应力将提高到原岩应力的38倍，对巷道维护带来严重困难。该矿上组煤的主采煤层为二、四层煤，倾角一般为1925。二层煤平均厚度2.02m，四层煤厚度，层间距平均为22m，煤层顶底板以砂岩、粉细砂岩为主体；三层煤厚度平均为1.0m，局部可采，与四层煤之间的层间距为（6.028.0）/16.0m，与二层的层间距为（3.07.0）/5.0m。4848u覆岩裂隙带发育分带特征（井下探测研究）根据钻孔注水漏失量和钻孔岩芯鉴定结果与冲洗液漏失情况，可得到四煤采空区覆岩裂隙发育分带规律，即从四

15、煤顶板为起点沿地层法向的分带发育特征为：0m4.6m为冒落带；4.6m7.2m为强裂隙带；7.2m13.6m为中裂隙带；13.6m19.1m为弱裂隙带；19.125.5m为缓沉带。裂高为采高的13.6倍。4949u物理模拟研究模型5050u模拟结果1：四煤开采时老顶初次破断情况5151u模拟结果2：四煤开采时老顶周期破断情况5252u模拟结果3：四煤开采后二煤的赋存状态5353u模拟结果4：四煤上行开采条件下二煤采动时的情况5454u上行开采时上覆围岩活动特征、覆岩运动与结构可明显地划分为冒落带，强、中、弱裂隙带及缓沉带。四煤冒落带高度为7.32m（采高m=2.28m）；强裂隙带高度为7.58

16、m；中裂隙带高度为9.26m；其上部为弱裂隙带和缓沉带。、强、中裂隙带内岩层呈现明显的周期性运动，顶板离层、断裂所形成的离层裂隙与斜交裂隙都十分发育，强裂隙带内岩层可能会有微量的层间错动，中裂隙带以上岩层无层间错动。以上的岩层运动以离层裂隙为主，有轻微的斜交裂隙出现。5555、二煤处于中裂隙带上方、弱裂隙带底部，只产生离层裂隙及轻微的周期性斜交裂隙，并在工作面后方及时得到闭合。二煤及其顶底板结构保持完整，不发生台阶错动。、对二煤复合顶板托顶煤及夹矸的上行开采实验表明，由于上行开采的应力转移作用，二煤复合顶板在控顶区上方能够较好地维持顶板稳定，可以实现复合顶板煤层的上行开采。、开采四煤能降低二煤

17、的应力强度水平，减缓冲击地压的危险，并能减弱二煤的来压强度和地质构造应力的影响。5656u上行开采应力转移的理论计算结果由图可见，四煤上行开采后，在二煤和四煤范围内，围岩中的垂直应力明显降低，其垂直应力约为原岩应力的3661。而在二煤采空区前方垂直应力约为原岩应力的160126。这表明，由于四煤的上行开采，致使采空区上部一定范围内的煤层应力转移到了采空区附近的煤岩层中，在开采范围内形成了低应力区，为上部二煤的开采创造了有利的应力环境。5757u应力转移后上部煤层巷道围岩变形曲线受采动影响时5858u应力转移后对上部煤层工作面的影响（1）在下行开采时，二煤工作面由于顶板压力大，煤壁片帮与机道冒漏

18、顶现象十分严重，需要水力膨胀锚杆超前护顶、坑木穿顶，顶板管理极其困难，推进速度很慢，生产十分被动。四煤采用上行开采后，二煤回采工作面复合顶板稳定，工作面无冒漏顶事故发生，平均原煤单产与推进速度提高到1.88倍，平均推进速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均单产由1.82.0万吨/月提高到4.2万吨/月左右，显著提高了工作面单产、降低了材料消耗。（2）二煤具有强烈冲击倾向，上行开采完全消除了冲击危险。（3）解决了原来二煤工作面推进慢，制约四煤开采的被动局面，缓解了采掘接续，大幅度提高了矿区煤炭产量与经济效益，矿井利税取得历史最好水平。59596底板松动爆破底板松动爆破应力转移与注浆加固技

19、术应力转移与注浆加固技术6060基本的应力转移原理在巷道底板中布置钻孔，并进行药壶爆破，在巷道底板中产生围岩弱化区，将集中应力转移到围岩较深部。6161松动爆破的关键技术u爆破的内部作用原理当发生内部爆破作用时，在围岩中形成爆破空腔、压碎圈、裂隙圈及震动圈。裂隙圈的大小是影响应力转移的关键因素6262u炮孔深度的确定式中：W装药的临界深度，m；h预留的完整岩体厚度，m；炮孔与巷道底板所夹的锐角，。6363u三区半径计算空腔半径Rk为：压碎区半径Rc为：裂隙圈半径Rp为：6464u装药量和炮孔间排距合理的装药量Q：炮孔间排距：6565平顶山六矿工程实践u问题的提出六矿二水平戊二采区设计的上山绞车

20、房水平标高-260m，埋深550m。绞车房坐落在戊11煤层下部5m处，绞车房围岩由顶部到底板分别为：0.59m厚的戊11煤层、3.91m厚的泥岩、3.24m厚的细砂岩、4.25m的砂质泥岩。该绞车房在掘进完成后不久即因底鼓严重而破坏，影响了采区的生产。分析表明，绞车房的破坏主要是因为较高的围岩应力所致。6666u技术路线、利用松动爆破的应力转移原理，将绞车房周围较高的围岩应力转移到深部，为硐室治理创造有利的应力环境。、在爆破破碎区中进行注浆，对底板进行加固，达到最终稳定硐室围岩的目的。6767u方案参数设计6868u围岩底鼓量观测结果与原绞车房不进行任何处理时的底鼓量相比，底鼓量明显降低，约为

21、不进行处理时底鼓量的1/3。69697巷道迎头超前钻孔巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术应力转移原理与技术7070基本原理1巷道掘进头 2应力转移钻孔1掘进巷道 2超前钻孔3钻孔前垂直应力分布曲线4钻孔后垂直应力分布曲线7171平顶山十一矿工程实践u巷道围岩条件己16-1722120工作面，两侧均为未开采的实体煤。工作面煤层地质构造简单，为单斜构造；煤层倾角1020，平均18，厚度5.010.0m，煤的坚固性系数f值1.0左右；工作面地面标高166.39175.30m，煤层底板等高线标高-680-750m，工作面埋深846.39925.3m。巷道沿煤层顶板掘进，斜梯形断面。7272u数值计算研

22、究模型由于模拟巷道掘进过程，所以模型沿巷道轴向剖面建立，岩层层面为水平，巷道高度取平均值3m，宽度4.2m。模型模拟范围为长宽=8060m2，网格为130114。采用应力-位移混合边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面垂直位移固定，采用摩尔-库仑准则。此次数值模拟包括两个方案：方案一模拟卸压钻孔对围岩应力场的改变效果；方案二模拟不同钻孔长度、直径等钻孔参数对围岩变形尤其是顶板下沉、底板鼓起的影响，从而确定合适的钻孔参数。7373u不同钻孔长度时的应力转移效果比较分别打4、6、8、12、14、16m钻孔时，围岩高应力（30 MPa、40MPa

23、）位置的变化情况。应力转移效果相当明显。7474u钻孔位置对顶底板移近减小量的影响关系7575u钻孔长度对顶底板移近减小量的影响关系7676u钻孔直径对顶底板移近减小量的影响关系7777u应力转移效果比较（围岩变形量）采用应力转移前采用应力转移后7878u应力转移效果比较（围岩变形速度）采用应力转移前采用应力转移后79798相关的相关的应力转移原理与技术应力转移原理与技术80801、开槽孔巷道周边开槽孔后的应力分布围岩应力较低区；应力升高区；原岩应力区 开槽后应力向深部转移。槽孔可在底板、两侧或全断面。81812、松动爆破8282工程实例 赵各庄矿垂深900 m 的7 层煤回采巷道。煤层倾角30，采用非对称型可缩性支架、锚杆、上帮底角单孔爆破卸压联合控制技术。100天时间巷道平均底鼓量287 mm，较无锚杆、无卸压段减少了61.6%。83833、巷道一侧或两侧布置巷峒 巷道一侧布置巷硐后效果示意图巷道一侧布置巷硐后效果示意图8484 谢谢！8585