矿山压力奇迹控制第八章

1、考试信息 时间：7月7日 上午 1班、2班2203；3班、4班2204 5班2205 第一节第一节 无煤柱护巷技术无煤柱护巷技术 1）护巷煤柱的稳定性：）护巷煤柱的稳定性： 留设煤柱留设煤柱优点：优点：可双巷掘进；技术简单；对通风、运输、排 水、 安全有利；缺点：缺点：煤损大；风巷受二次采动影响，维护费高；不利底 板巷道稳定；成为冲击地压、煤炭自燃隐患。第八章第八章 巷道维护原理和支护技术巷道维护原理和支护技术 2）煤柱的应力分布：）煤柱的应力分布：一侧采空一侧采空煤柱很宽煤柱很宽煤柱较宽煤柱较宽煤柱较窄煤柱较窄形成：形成： 破裂区 塑性区 弹性区 原始应力区 3）护巷煤柱的稳定性：）护巷煤柱

2、的稳定性： 煤柱宽度是影响煤柱稳定性和巷道维护的主要因素。 护巷煤柱稳定条件：护巷煤柱稳定条件： 煤柱中央产生的弹性区（核）宽度煤柱中央产生的弹性区（核）宽度 不小于煤柱高度的不小于煤柱高度的2 2倍。倍。102xmxB102xmxB煤柱宽度：煤柱宽度：4）沿空掘巷的三种方式：）沿空掘巷的三种方式： 完全沿空掘巷；留小煤皮掘巷；保留部分老巷掘巷 5）沿空留巷巷旁支护：）沿空留巷巷旁支护： 巷旁支护作用巷旁支护作用 巷旁支护类型巷旁支护类型控制直接顶离层及时切断直接顶减少巷内支护承载封闭采空区木垛密集矸石带混凝土砌块高水速凝水泥综放沿空掘巷回采期间巷道维护状况 综放沿空掘巷回采期间巷道维护状况

3、剖面：采前巷道；剖面：采前巷道；剖面，工作面推剖面，工作面推过，外层顶板岩体破断、回转并下沉；过，外层顶板岩体破断、回转并下沉；剖剖面：岩体面：岩体B B触矸，形成巷道外层自稳结构。触矸，形成巷道外层自稳结构。 外层自稳三大结构的稳定主要受直接顶的厚度外层自稳三大结构的稳定主要受直接顶的厚度和岩性影响，与是否留巷关系不大。和岩性影响，与是否留巷关系不大。n外层岩层自稳结构（自然条件）外层岩层自稳结构（自然条件）96 6）沿空留巷）沿空留巷大结构形成过程中的回转、下沉决定了小结构的矿压显现程大结构形成过程中的回转、下沉决定了小结构的矿压显现程度，包括直接顶的抗剪和变形、充填墙体的载荷等。度，包括

4、直接顶的抗剪和变形、充填墙体的载荷等。反过来，小结构对大结构也有影响，增加了直接顶的悬顶长反过来，小结构对大结构也有影响，增加了直接顶的悬顶长度，进而影响大结构位态变化。度，进而影响大结构位态变化。高强度：锚杆杆体及附件强度高；高强度：锚杆杆体及附件强度高；高预拉力：锚杆初始支护能力高；高预拉力：锚杆初始支护能力高；高刚度：锚杆及其附件抗变形能力强。高刚度：锚杆及其附件抗变形能力强。n 支护原理：支护原理：“三个强化三个强化”n 锚杆支护技术：锚杆支护技术：“三高三高”支护围岩强度强化：支护承载区注浆加固；支护围岩强度强化：支护承载区注浆加固；支护围岩结构强化：需要加强的结构区域；支护围岩结构

5、强化：需要加强的结构区域；支护技术手段强化：锚杆和支护技术手段强化：锚杆和U U型钢的主动支护能力加强。型钢的主动支护能力加强。巷内新型锚杆强化支护技术巷内新型锚杆强化支护技术巷内新型锚杆强化支护技术巷内新型锚杆强化支护技术留巷支护效果留巷支护效果工作面后方工作面后方80m80m处处工作面后方工作面后方120m120m处处工作面后方工作面后方200m200m处处工作面后方工作面后方40m40m处处131、巷道卸压保护：、巷道卸压保护：卸压原理卸压原理采用人为方法，改变周边围岩应力分布，使 峰值应力内移，巷道处于应力降低区。 1）巷道跨采卸压：）巷道跨采卸压： 跨采类型跨采类型纵跨采面推进方向与

6、巷道轴向平行；横跨采面推进方向与巷道轴向垂直。 矿压特点矿压特点纵跨巷道逐段受采动影响（岩石集中巷）；横跨巷道全长同时受采动影响（上山石门）跨采期间围岩移近量大，过后稳定。跨采期间围岩移近量大，过后稳定。第二节第二节 巷道围岩卸压巷道围岩卸压 纵向跨采纵向跨采（依次影响） 横向跨采横向跨采（同时影响）跨越平巷、跨越上山、 掘后跨采、掘前预采。 2）开槽（松动）卸压：）开槽（松动）卸压： 卸压措施卸压措施巷道周边开槽（孔）卸压巷道围岩松动爆破卸压开槽后可改变周边应力分布状态，使应力内移。 无切缝无切缝 两帮切缝两帮切缝 顶底切缝顶底切缝 两帮顶底切缝两帮顶底切缝3）卸压巷硐卸压：）卸压巷硐卸压：

7、 卸压巷硐位置卸压巷硐位置巷道一侧被保护巷变形减少7090%；巷顶被护巷移近量为原来1/71/12；宽面掘巷矸石带填充，隔离，效果好。 一侧卸压一侧卸压 顶板卸压顶板卸压 宽巷卸压宽巷卸压4）掘前预采：）掘前预采： 在岩巷尚未掘进时，先将其上部煤层采掉，然后在采空区下掘进岩石巷道，使之在应力降低区。 为效果最理想的方法。 巷道围岩变形量减小4/55/6。 要求岩巷距煤层较近，距开采区域平距足够。第三节第三节 巷道金属支架巷道金属支架 一、一、“支架支架围岩围岩”相互作用原理相互作用原理 支架围岩构成统一的力学体系，二者之间有相互作用，而二者合之又共同承载。 1、支架、支架围岩相互作用的基本状态

8、：围岩相互作用的基本状态：给定载荷状态给定载荷状态支架仅承受其自重作用，与母体岩层的移动变形无关。 给定变形状态给定变形状态 支架阻力与围岩移动性质、支架特性有关。 当支架变形特性与围岩变形不相适应时，则可承当支架变形特性与围岩变形不相适应时，则可承受更高的载荷，支架被破坏。受更高的载荷，支架被破坏。 给定载荷给定载荷围岩与母体岩层脱离，不受母体岩层移动 影响，支架仅承受固定载荷作用。 （支架载荷不大，且基本固定）给定变形给定变形围岩受母体岩层移动影响，并将母体岩层 移动变形传递给支架，支架受载与岩层变形 特征有关。 （支架载荷较大，与围岩变形正比）3、“支架支架围岩围岩”相互作用原理：相互作

9、用原理： 由芬纳位移公式可得右侧曲线由曲线有：由曲线有： 支撑力支撑力 位移量位移量 支撑力支撑力 位移量位移量 支撑力不可能完全限制围岩的位移；支撑力不可能完全限制围岩的位移； 支撑力小到一定程度，围岩变形急剧增大，甚至破坏；支撑力小到一定程度，围岩变形急剧增大，甚至破坏； 不同特性支架、支护时间不同，支架承受载荷不同；不同特性支架、支护时间不同，支架承受载荷不同； 合理支撑力应在曲线拐点附近。合理支撑力应在曲线拐点附近。4、“支架支架围岩围岩”相互作用原理的应用：相互作用原理的应用： 1）二次支护（新奥法）二次支护（新奥法）让压支护 2）柔性支护）柔性支护允许产生一定变形。让压支护 3）主

10、动支护）主动支护加大围压，提高围岩强度。抗压支护 二、巷道支护原则：二、巷道支护原则： 支护特点：临时性、可变形。 支护要求：确保安全，维护最小允许断面。 基本支护类型：基本支护类型： （1）木支护：）木支护：梯形（对棚或密集等） （2）金属支架：）金属支架： 工字钢梯形支架 平顶可缩金属支架 拱形可缩性金属支架 棚间距0.50.7m 。 （3）锚杆支护：）锚杆支护：三、巷道金属支架支护：三、巷道金属支架支护：1、U 型钢可缩性支架型钢可缩性支架： （拱可缩） U 型钢型号：U18、U25、U29、U36 （kg/m） 1）基本结构类型：）基本结构类型：三节规格： 10.4 ；12；14 2）

11、支架连接件：）支架连接件： （螺栓连接件， 楔式连接件） 上限位连接件上限位连接件 中间连接件中间连接件 下位连接件下位连接件 连接件= 锁紧构件+ 摩擦机构螺栓连接件：强度高、刚性大、可缩性好、工作螺栓连接件：强度高、刚性大、可缩性好、工作 阻力稳定、型钢滑移平稳。阻力稳定、型钢滑移平稳。2、矿用工字钢支架：、矿用工字钢支架： 刚性特性，可缩量小，适用于围岩稳定条件。刚性特性，可缩量小，适用于围岩稳定条件。 通过增加接榫木垫、棚腿插入底板（垫柱鞋）等措施通过增加接榫木垫、棚腿插入底板（垫柱鞋）等措施可以增加适量可缩量。可以增加适量可缩量。 现场以梯形支架为主，拱型有如下类型： 拱顶斜腿拱顶斜

12、腿 拱顶直腿拱顶直腿 锚喷加强拱顶锚喷加强拱顶第四节第四节 巷道保护基本措施巷道保护基本措施一、基本原则：一、基本原则： 允许围岩变形、提高围岩强度、降低围岩应力。二、基本方法和途径：二、基本方法和途径： 1、控制方法：、控制方法：巷道保护使围岩应力与岩体强度相适应 （采用适当断面，预留断面，煤柱护巷，巷道在减压区）巷道支护架设支架防止围岩过度变形与移动巷道维修改换已恶化的支撑系统，恢复围岩移动稳定性。 2、控制原理、控制原理 抗压抗压 让压让压 躲压躲压 移压移压三、基本措施：三、基本措施： 将巷道布置在岩性好的岩层内 将巷道布置在应力降低区 对巷道进行卸压保护常用方法为：常用方法为： 卸压

13、 无煤柱护巷 1、锚杆种类与锚固力：、锚杆种类与锚固力： 锚杆分类锚杆分类 锚固力锚固力机械锚固式涨壳式、倒楔式、楔缝式；粘结锚固式树脂、快硬水泥、水泥砂浆；摩擦锚固式缝管式、水胀式管状锚杆。托锚力安装时，拖板与锚杆的预紧力；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的力。初锚力、工作锚固力、残余锚固力第四节 巷道锚杆支护2、锚杆支护原理：、锚杆支护原理： 1）悬吊原理）悬吊原理 2）组合梁原理）组合梁原理 3）压缩拱原理）压缩拱原理 4）最大水平应力原理）最大水平应力原理 5）围岩强度强化理论）围岩强度强化理论锚杆支护强度对围岩强度的强化分析 锚固体力学特性改善情况锚杆布置密度

14、锚杆布置密度( (根根/400cm/400cm2 2) )0 02 23 34 45 56 68 8弹性模量弹性模量E(MPa)E(MPa)280.8280.8282.6282.6284.7284.7288.2288.2294.0294.0299.7299.7310310软化模量软化模量M(MPa)M(MPa)32.032.032.632.635.235.239.339.341.941.943.243.246.346.3等效内聚力等效内聚力C(MPa)C(MPa)0.350.350.360.360.360.360.370.370.370.370.380.380.390.39等效内摩擦角等效内摩

15、擦角（）31.531.531.531.533.533.535.635.637.137.138.838.840.440.4等效内聚力等效内聚力C C* *(MPa)(MPa)0.0170.0170.0180.0180.0180.0180.0180.0180.0190.0190.0190.0190.0210.021等效内摩擦角等效内摩擦角* *（）31.531.531.531.533.533.535.635.637.137.138.838.840.440.43、组合锚杆支护：、组合锚杆支护： 1）锚梁网联合支护：）锚梁网联合支护： 锚杆锚杆 + 托梁（钢带）托梁（钢带）+ 金属网金属网2）桁架锚杆

16、支护：）桁架锚杆支护：锚杆锚杆 + 拉杆拉杆 + 拉紧器拉紧器 + 垫块垫块 高强高安装载荷可变形让压锚杆 为了满足采深大、地质条件复杂和沿空巷道压力大、变形大的需求，新型专利产品高强、高安装裁荷、可变形让压锚杆正式在中国市场推出，并开始在煤矿中得到广泛应用和推广，为中国煤矿支护产品填补了空白。 管缝式锚杆 技术特点：高强度、高安装应力锚杆；可有效控制顶板下沉及岩层层间移动；适合各种不同高度的巷道；特别适合锚固点岩层石软弱的条件；更适合于巷道高度小于锚杆长度的情况；锚杆安装简单快捷 桁架锚杆在顶板内会形成水平和铅直方向挤压力，使顶板的中性轴下移，增强顶板抗弯能力，提高其整体性。为解决近距离煤层

17、巷道支护问题，推出的高预应力桁架支护系统，现已成功地解决了近距离煤层采空区下和特厚煤层全煤巷道顶板支护问题，受到煤矿行业的一致好评。 4、预应力锚索：、预应力锚索： 1）类型）类型胀壳式钢绞线预应力锚索沙浆粘结式预应力锚索2）小口径预应力锚索结构：）小口径预应力锚索结构：锚索比锚杆长，可锚入深部较稳定的岩层中。为提高矿用锚索性能，捷马公司引进为提高矿用锚索性能，捷马公司引进”鸟窝鸟窝”式锚索，与同类型产品比，其具有：式锚索，与同类型产品比，其具有： 安装方便，安装方便， 系统锚固力大，系统锚固力大， 性价比高等优点。性价比高等优点。5 5、锚杆支护设计方法：、锚杆支护设计方法： （1 1）工程

18、类比法）工程类比法 直接类比直接类比- -已有工程已有工程 间接类比间接类比 围岩分类的基础上围岩分类的基础上我国缓倾斜倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案我国缓倾斜倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案（2 2）理论分析法）理论分析法悬吊理论、普氏平衡拱理论、悬吊理论、普氏平衡拱理论、 组合梁理论组合梁理论（3）锚杆支护系统设计方法：锚杆支护系统设计方法： 由地质调查、设计、施工、监测、信息反馈等相互由地质调查、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。制约影响，综合完成系统设计。主要包括： 1）地质力学评估围岩应力及岩体强度； 2）初始设计，并对选定方案进行稳定性分析； 3）施

19、工； 4）现场监测（锚杆受力、深部围岩移动） 5）信息反馈与修改完善； 6）重复进行上述步骤，直至满意为止。 锚杆支护 初始设计中必须包括以下内容: (1) 巷道名称、位置、用途以及巷道设计断面； (2) 巷道锚杆支护布置图 ； (3) 锚杆几何参数(长度、直径)、力学参数(强度)； (4) 锚杆布置参数 (间排距、角度)； (5) 锚杆锚固参数 (孔径、锚固长度)； (6) 锚杆预紧力矩(或预紧力)、锚杆设计锚固力； (7) 钢带形式、强度、规格； (8) 金属网形式、规格、强度； (9) 支护材料消耗； (10) 施工工艺方法； (11) 施工工艺要求与质量管理指标； (12) 相关安全技

20、术措施:临时支护、控顶距； (13) 验证初始设计的观测与监测方案； (14) 基于锚杆支护初始设计基础上的补强加固措施； (15) 预计巷道受采动影响时可能出现的问题，以及应采取的相应措施； (16) 预计的支护成本。 支护设计实例平煤股份十一矿 丁5-6-26071工作面风巷支护设计四、采区巷道联合支护：四、采区巷道联合支护：1、联合支护原理、联合支护原理分阶段综合运用多种支护形式维护巷道2、联合支护方式：、联合支护方式：锚杆+棚子单用锚杆不行时锚网+金属棚子+人工砌垛采深大，压力大，留巷。 目前，煤巷锚杆支护常用： 锚索+锚杆+W型钢带+拱可缩支架联合支护，效果 较好。三、锚杆支护成套技

21、术三、锚杆支护成套技术（五）锚杆支护矿压监测（五）锚杆支护矿压监测工程实例工程实例1、新汶千米深井巷道支护、新汶千米深井巷道支护l 新汶矿区我国开采深度最大的矿区之一。集中采深新汶矿区我国开采深度最大的矿区之一。集中采深大、地质构造复杂、矿井灾害多重条件，巷道支护大、地质构造复杂、矿井灾害多重条件，巷道支护极为困难。极为困难。l 深部岩巷变形大、底鼓严重；煤巷维护困难，需多深部岩巷变形大、底鼓严重；煤巷维护困难，需多次维修翻修；冲击地压巷道支护没有得到解决。次维修翻修；冲击地压巷道支护没有得到解决。l 原形成的锚网喷二次支护理论受到挑战，在深部动原形成的锚网喷二次支护理论受到挑战，在深部动压区

22、、构造压力带、破碎带等地点，二次支护后仍压区、构造压力带、破碎带等地点，二次支护后仍出现大变形与破坏，需三次甚至更多次支护，维护出现大变形与破坏，需三次甚至更多次支护，维护费用极高，围岩变形长期不能稳定。费用极高，围岩变形长期不能稳定。l 开展系统的深部巷道支护理论与技术研究。开展系统的深部巷道支护理论与技术研究。1、新汶千米深井巷道支护、新汶千米深井巷道支护3700煤 （ 2.4m） 强 力 锚 杆（ 25mm， 2.4m）协庄矿协庄矿1202E1202E运输巷支护布置图运输巷支护布置图q原支护前掘后修原支护前掘后修q25mm、2.4m强强力锚杆力锚杆q高预紧力高预紧力(100kN) 破断力

23、破断力(420kN)q280、5mm钢带钢带q排距增大到排距增大到1m1、新汶千米深井巷道支护、新汶千米深井巷道支护q 巷道变形大幅度降低。顶底板、两帮移近量、顶板下沉量巷道变形大幅度降低。顶底板、两帮移近量、顶板下沉量降低降低70%70%、79%79%、80%80%；顶板离层为原支护；顶板离层为原支护5%5%。q 巷道支护状况发生本质改变，围岩完整、稳定。巷道支护状况发生本质改变，围岩完整、稳定。q 一次支护有效控制超千米巷道变形，基本消除巷修。一次支护有效控制超千米巷道变形，基本消除巷修。 锚杆支护类别锚杆支护类别两帮移近量两帮移近量/mm顶底板移近量顶底板移近量/mm顶板下沉量顶板下沉量

24、/mm顶板离层顶板离层/mm原有锚杆支护原有锚杆支护77993019580强力锚杆支护强力锚杆支护173281404降低值降低值77.8%69.8%79.5%95%1、新汶千米深井巷道支护、新汶千米深井巷道支护强力锚杆顶板完整下沉小强力锚杆顶板完整下沉小原锚杆顶板破碎下沉大原锚杆顶板破碎下沉大2 强烈动压影响巷道支护技术（潞安）强烈动压影响巷道支护技术（潞安）q 潞安漳村矿采掘衔接紧潞安漳村矿采掘衔接紧张，不得不在相邻工作张，不得不在相邻工作面还没采完，在动压强面还没采完，在动压强烈影响区掘进巷道，变烈影响区掘进巷道，变形、破坏严重。形、破坏严重。q 与相邻采面对穿巷道，与相邻采面对穿巷道，受

25、超前支承压力、掘进受超前支承压力、掘进与回采叠加、滞后动压与回采叠加、滞后动压与二次动压影响。与二次动压影响。q 普通锚杆支护效果差，普通锚杆支护效果差，不能保证巷道安全。不能保证巷道安全。2202工 作 面2202运 巷2202瓦 排 巷2202风 巷2201风 巷2201瓦 排 巷2201运 巷2201工 作 面回 采 方 向2202掘 进 方 向2 强烈动压影响巷道支护技术（潞安）强烈动压影响巷道支护技术（潞安）q 支护方式：高预应力、全支护方式：高预应力、全长预应力锚固、短强力锚长预应力锚固、短强力锚索，并全断面垂直岩面布索，并全断面垂直岩面布置的支护方式。置的支护方式。q 锚索支护参

26、数。锚索支护参数。l 索体索体1 19结构结构 22mm，长，长度度4300mm。5004300420012001200400330012004300900300900 900300120012001200120012001200 1200400120012005003300900l 树脂端锚后加预应力，水泥浆全长锚固，钢筋网护表。树脂端锚后加预应力，水泥浆全长锚固，钢筋网护表。排距排距1.2m，每排，每排5根锚索，间距根锚索，间距900mm。l 锚索预应力锚索预应力200250kN。2 强烈动压影响巷道支护技术（潞安）强烈动压影响巷道支护技术（潞安）q 巷道表面位移巷道表面位移l 两帮最大位

27、移量两帮最大位移量220mm、260mm；顶底板移近量最大；顶底板移近量最大140mm、160mm；顶板基本无离层。；顶板基本无离层。l 掘进期变形不大，相邻工作面后方矿压显现强烈。掘进期变形不大，相邻工作面后方矿压显现强烈。1#测站第二表面位移测站巷道表面位移0200400214-4.8-14.4-29.6-67.2-96.3测站距2202工作面距离/m巷道表面位移/mm左帮移近量（mm）右帮移近量（mm）两帮移近量（mm）顶底板移近量（mm）l巷道位移小，两巷道位移小，两帮 移 近 量 降 低帮 移 近 量 降 低90%，且是整体，且是整体位移。围岩完整位移。围岩完整稳定，没有出现稳定，没有出现明显破坏。明显破坏。2 强烈动压影响巷道支护技术（潞安）强烈动压影响巷道支护技术（潞安）3 深井沿空留巷深井沿空留巷（淮南）（淮南）q 谢一煤矿谢一煤矿5121B105121B10工作面开采工作面开采1010层煤。巷道埋深为层煤。巷道埋深为700m700m左右，压力大。左右，压力大。q 煤层顶板泥岩、泥质砂岩，松软破碎。煤层顶板泥岩、泥质砂岩，松软破碎。q 上风巷沿空留巷。顺槽在掘出后变形量均较大，特别上风巷沿空