巷道围岩应力转移相关理论和技术

1、巷道围岩应力转移相关理论和技术21概述2巷道围岩应力转移理论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1. 概述围岩松软破碎 单轴抗压强度1020MPa 深井（自重应力） 高应力 采动应力（原岩应力的36倍） 构造应力松软破碎高应力大变形巷道难维护的原因5第一类，围岩软弱型，即软岩巷道第二类，采动影响型，即动压巷道第三类，深井高应力型，即深井巷道高应力巷道类型6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

2、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。深井软岩成为重点我国是世界产煤大国，也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展

3、，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。78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。高应力巷道特点合理可靠的支护 加固围岩 （锚杆、注浆） 围岩应力转移上述综合技术大变形巷道围岩控制的技术途径10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巷道围岩应力的转移理论12研究基础煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，而且将该应力向底板岩

4、层深部传递。可将煤层底板的岩层视为一个半无限体。半平面体弹性问题是研究半无限平面体在边界上受切向或法向分布力或集中力（力偶）作用时的平面弹性问题。本研究从格林函数和格林公式出发，先通过边界归化将双调和方程边值问题转化为一个只与边界面力有关的边界积分方程，再根据已知的面力条件通过具体积分可以直接得到半平面体各种弹性问题的解析解。13半平面问题应力函数边界积分公式研究得到上半平面重调和方程的Poisson积分公式：则研究区域内各点的应力为：14底板应力增量分布采用长壁工作面采煤时，采空区上覆岩层产生弯曲、沉降，断裂甚至垮落，该岩层的重量则转移到工作面前方和采空区两侧的煤体和煤柱上。此时采空区处在低

5、于原岩应力的降压区；工作面前方及采空区两侧的煤体和煤柱上，出现了比原岩应力大得多的集中应力，常称为支承压力。据此简化为以下的计算图。b2为松塌区，b为松弛区及塑性区，b1为应力升高的弹性区及原岩应力区 15将上述模型分三段进行积分计算后得到以下应力公式（底板应力增量分布的解析计算公式。此计算方法和公式具有通用性，只要对于不同情况下的底板载荷画出简化图，写出简化公式就可按照上述计算的方法和步骤，计算底板应力增量分布。）：16力学模型的建立煤矿上行开采时，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。上行开采的应力转移原理17力学模型的建立根据

6、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18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。19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，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

7、恢复到原岩应力。20水平应力分布图如下 可见，在垮落带邻近顶板附近的水平拉应力的值较大，在顶板的上部则出现较大压应力区；同时在中间截面的上、下部分是应力值较大的区域。21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。顶、底板掘巷及松动爆破围岩应力转移原理22顶板掘巷的应力转移原

8、理巷道顶板掘巷实现应力转移的简单模型 23底板掘巷的应力转移原理简单模型 24狭长椭圆孔口孔边无均布压力的复变函数通解25狭长椭圆孔口孔边有均布压力的复变函数通解26算例：取qx，qy=1，椭圆长轴a15m，短轴b，孔边内压，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 )狭长松动爆破卸压孔围岩应力计算27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。结论3顶板掘巷应力转移原理与技术29顶板掘巷的应力转移原理巷道顶板掘巷实

9、现应力转移的简单模型 30巷道顶部掘巷实现应力转移的效果31鲍店煤矿工程实例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。32胶带输

10、送机硐室与回采工作面的关系33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 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。34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16

11、2 m2卸压巷方案五：硐室顶部开掘202 m2卸压巷35研究结果一：对控制围岩变形的影响方案12345底鼓量（mm）20117013510267比值10.850.680.510.3336研究结果二：对围岩应力场的影响37顶部卸压巷设计方案38松动爆破炮眼布置图39现场实测分析2112位移速度1顶底2两帮4底板掘巷应力转移原理与技术41底板掘巷的应力转移原理简单模型 42蒋庄煤矿工程实例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。43胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面

12、平面位置对照图44南翼二部强力胶带输送机头硐室群平面图45硐室维护的难点1、硐室群的组成复杂：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。46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。47计算结果2：

13、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。48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。49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。50卸压巷主要参数的研究模型51工业性试验方案52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

14、mm之内。（3）底鼓量在10 mm左右。5煤层上行开采应力转移原理与技术54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。55孙村煤矿工程实例问题的提出孙村煤矿-800m水平埋深达980m，属于深部开采范畴。不仅

15、如此，其原岩应力中最大水平主应力与垂直主应力之比为，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，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，局部可采，与四层煤之间的层间距为（），与二层的层间距为（）。56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，即从四煤顶板为起点沿地层法向的分带发育特征为：为冒落带；为强裂隙带；为中裂隙带；为弱裂隙带；为缓沉带。裂高

16、为采高的倍。57物理模拟研究模型58模拟结果1：四煤开采时老顶初次破断情况59模拟结果2：四煤开采时老顶周期破断情况60模拟结果3：四煤开采后二煤的赋存状态61模拟结果4：四煤上行开采条件下二煤采动时的情况62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（采高）；强裂隙带高度为；中裂隙带高度为；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。63

17、、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。64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

18、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。65应力转移后上部煤层巷道围岩变形曲线受采动影响时66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倍，平均推进速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均单产由万吨/月提高到万吨/月左右，显著

19、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。6底板松动爆破应力转移与注浆加固技术68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。69松动爆破的关键技术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70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

20、巷道底板所夹的锐角，。71三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：72装药量和炮孔间排距合理的装药量Q ：炮孔间排距 ：73平顶山六矿工程实践问题的提出六矿二水平戊二采区开发中，设计的上山绞车房水平标高-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：厚的戊11煤层、厚的泥岩、厚的细砂岩、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。74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。75方案参数设计76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，约为不进行处理时底鼓量的1/3。7巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术78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79平顶山十一矿工程实践巷道围岩条件己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，煤的坚固性系数f值左右；工作面地面标高，煤层底板等高线标高