矿山压力对掘进施工的影响课件

矿山压力对掘进施工的影响淮北煤矿安全技术培训中心潘圣勇矿山压力对掘进施工的影响11矿山压力何为矿山压力？1矿山压力何为矿山压力？2通过这些图片，大家看到什么？1、巷道整体变形，断面严重缩小，且形状不规则。2、金属支架变形、扭曲，失去原有形状。3、巷道顶板下沉，两帮相互移近，底板膨起。4、巷道周边岩石离层、脱落，随时会滑落、片帮、掉顶的危险。造成巷道变形的原因就是矿山压力。矿山压力对掘进施工的影响3

矿山压力：

由于在地下进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力，简称矿压，也叫地压、岩压等。而造成巷道受压变形、掉顶、片帮、底膨的现象叫矿山压力显现。

原岩应力：地下岩体在采动以前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力。因为开采前的岩体处于静止状态，所以原岩体是处于应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道和回采工作面周围的煤岩体发生破坏矿山压力：4，这种情况将持续到煤岩内部重新达到新的应力平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围的煤岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场。构造应力：在各种地壳构造运动作用力的影响下,地壳中所产生的应力称为构造应力。

，这种情况将持续到煤岩内部重新达到新的应力平衡为止。此时，巷5矿山压力分析1、原岩体内掘进巷道引起的围岩应力变化：巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，围岩仍处于弹性状态，围岩应力可用弹性力学方法按平面应变问题计算。双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图所示。矿山压力分析1、原岩体内掘进巷道引起的围岩应力变化：6

圆形巷道围岩弹性变形应力分布圆形巷道围岩弹性变形应力分布7如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质，巷道围岩应力分布如图所示。在塑性区内圈（A）围岩强度明显削弱，低于原始应力γH，围岩发生破裂和位移称为破裂区，也叫卸载和应力降低区。塑性区外圈（B）的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力增高区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边8

圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布

A—破裂区；B—塑性区；C—弹性区；D—原始应力区圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布92、回采工作面周围支承压力分布：煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道，它的维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外，主要取决于采动影响。煤层开采以后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带（图）。2、回采工作面周围支承压力分布：10

图采空区应力重新分布概貌

1—工作面前方超前支承压力2、3—工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力4—工作面后方采空区支承压力图采空区应力重新分布概貌111

支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩应力的比值。支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。目前，上述参数主要由现场实测取得。

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工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相当于2～3.5倍回采高度。影响范围为40～60m，少数可达60～80m，应力增高系数为2.5～3。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达35～40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。采空区内支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。

工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相13

相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。例如，在上下区段之间，上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高(图)。举例：8210切眼支护问题。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互14

图煤层凸出角处叠加支承压力

图煤层凸出角处叠加支承压力15矿山压力对掘进施工的影响163、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定（1）巷道围岩应力影响带巷道开掘以后，巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰乱的区域称为影响带，一般以超过原岩应力值的5％作为影响带的边界。如果相邻巷道的应力影响带彼此不重叠，可以忽略巷道间的相互影响。如果相邻巷道的应力影响带彼此重叠，但没有到达相邻巷道，可进行巷道围岩应力值的叠加。

3、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定17在静水压应力场中，弹性变形巷道的应力影响区域形状为半径等于6r的圆（r为巷道断面半径）。在非静水压应力场中，巷道的应力影响区域形状不再是圆形，一般为长轴不大于12r的椭圆。因此，断面相同两圆形巷道的间距D为6r＜D＜12r半径不同两圆形巷道的间距D为6R＜D＜6（r＋R）如果巷道周边形成塑性变形区，相邻巷道的应力影响带不宜超过塑性变形区与弹性变形区的交界面。在静水压应力场中，弹性变形巷道的应力影响区域形状为半径等于618（2）巷间岩柱的稳定性岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩柱强度。当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时，岩柱是不稳定的。

岩柱的强度主要由组成岩柱的岩体强度、岩柱的宽度和高度及总的构造特征决定。已为大量现场资料所验证的经验公式有Obert-Dwvall/Wang(1967)和Bieniawski(1968)公式：

（2）巷间岩柱的稳定性19式中R—岩柱强度，MPa；RC—原位临界立方体单轴抗压强度，MPaB—岩柱宽度，m；h—岩柱高度，m。RC1—临界尺寸岩柱的强度，MPa。式中R—岩柱强度，MPa；20（3）相邻巷道间合理距离我国煤矿目前采深条件下，大巷间的距离以20～40m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，大巷间距可减小至10m；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可增大至50m。上下山及集中巷间距以15～30m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，上述距离可减小到10m，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应扩大到40～50m。（3）相邻巷道间合理距离214、构造应力对巷道稳定性的影响（1）构造应力构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。(2）水平应力对巷道稳定性的影响水平应力是影响巷道顶板冒落、底板臌起、两帮内挤的主要因素。顶板岩层在水平应力作用下可能出现两种破坏形式：一是薄层页岩类岩层沿层面滑移。二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。

4、构造应力对巷道稳定性的影响22水平应力作用下顶板的破坏a-薄层页岩顶板

b-厚层砂岩顶板水平应力作用23水平应力作用下巷道底鼓水平应力作用下巷道底鼓24水平应力作用下巷道两帮破裂

水平应力作用下巷道两帮破裂25（3）合理的巷道布置方向巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。因此，在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。（3）合理的巷道布置方向26

图巷道轴向与构造应力成一定角度时周边围岩应力计算简图图巷道轴向与构造应力成一定角度时27

图巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应力分布。a—平行构造应力；b—垂直构造应力

图巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应28巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳定性影响最小；巷道轴向与构造应力方向垂直时，影响最大。构造应力对巷道稳定程度的影响，主要随α角正弦的平方值变化，如果α角小于250～300时，构造应力对巷道稳定性的影响无明显变化。

巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳295、受采动影响巷道的围岩变形（1）巷道围岩变形量的构成巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板臌起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。（2）巷道围岩变形规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段（图）。

5、受采动影响巷道的围岩变形30

图区段平巷围岩变形图区段平巷围岩变形31巷道掘进影响阶段煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道埋藏深度和围岩性质。(2)

掘进影响稳定阶段掘巷引起的围岩应力重新分布趋于稳定，由于煤岩一般具有流变性，围岩变形还会随时间而缓慢增长，但其变形速度比掘巷初期要小得多。巷道的围岩变形速度仍取决埋藏深度和围岩性质。巷道掘进影响阶段32（3）采动影响阶段巷道受上区段工作面（A）的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面（A）后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。（3）采动影响阶段33（4）采动影响稳定阶段

回采引起的应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低，但仍然高于掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不断缓慢地增长。（4）采动影响稳定阶段346、受采动影响巷道矿压显现规律（1）巷道位置类型根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同，巷道位置可以分为以下几类：本煤层巷道：与回采空间在同一层面的巷道。分析本煤层巷道位置时，仅考虑回采空间周围煤体上支承压力的分布规律，可作为平面问题处理。6、受采动影响巷道矿压显现规律35底板巷道：与回采空间不在同一层面，其下方的巷道。分析底板巷道位置时，应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律，按空间问题处理当然。顶板巷道：位于回采空间所在层面上方的巷道称为。厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采面的采动影响。分析这类巷道位置时，依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系，综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。底板巷道：与回采空间不在同一层面，其下方的巷道。分析底板367、区段巷道的位置和矿压显现规律区段巷道的布置方式：根据区段回采的准备系统，区段巷道可分成三种布置方式。（1）位于未经采动的煤体内，巷道两侧均为煤体，称为煤体-煤体巷道(图7-9Ⅰ)

。

7、区段巷道的位置和矿压显现规律37

图7-9区段巷道布置方式示意图a—煤柱护巷；b—无煤柱护巷

图7-9区段巷道布置方式示意图38

（2）巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，保护煤柱一侧的采面采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体-煤柱巷道（采动稳定）(图7-9Ⅱ1)

；（3）巷道一侧为煤体，另一侧为采空区,采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为煤体-无煤柱（沿空掘进）巷道(图7-9Ⅱ2)

；如果通过加强支护或采用其它有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为煤体-无煤柱（沿空保留）巷道(图7-9Ⅲ2)

。

（2）巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，保护煤柱一侧的采面39综上所述区段巷道的布置方式可简述为：

综上所述区段巷道的布置方式可简述为：40

区段巷道矿压显现规律：（1）煤体-煤体巷道服务期间内，围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。由于巷道在采面后方已经废弃，巷道仅经历采面前方采动影响，围岩变形量比采动影响阶段全过程小得多，一般仅1/3左右。（2）煤体-煤柱（采动稳定）或沿空掘进巷道服务期间，围岩的变形同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。但是巷道整个服务期间内，始终受相邻区段采空区残余支承压力的影响，三个影响阶段的围岩变形均大于煤体-煤体巷道。区段巷道矿压显现规律：41（3）煤体-煤柱（正采动）或沿空保留巷道服务期间，围岩的变形将经历：

巷道掘进影响阶段掘进影响稳定阶段采动影响阶段采动影响稳定阶段二次采动影响阶段全部的五个阶段。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。（3）煤体-煤柱（正采动）或沿空保留巷道服务期间，围岩的42

8、底板巷道的位置和矿压显现规律（1）底板巷道的位置

按照巷道与上部煤层回采空间的相对位置和开采时间关系，巷道的位置可归纳以下三种情况：①巷道布置在已稳定的采空区下部。在上部煤层回采空间形成的底板应力降低区内，巷道整个服务期间内不受采动影响。②巷道布置在保护煤柱下部。经历保护煤柱两侧回采工作面的超前采动。保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。③巷道布置在尚未开采的工作面下部。经历上部采面的跨采影响后，位于已稳定的采空区下部应力降低区内。8、底板巷道的位置和矿压显现规律43

图7-11底板巷道位置Ⅰ—在已稳定的采空区下部；Ⅱ—在保护煤柱下部；Ⅲ—在尚未开采工作面下部，经历上部采面的跨采影响图7-11底板巷道位44

（2）底板巷道的矿压显现规律底板巷道从开掘到报废，由于上部煤层的采动影响，引起围岩应力反复重新分布，围岩变形速度随之变化。巷道Ⅰ在应力降低区内巷道掘进影响阶段，然后进入掘进影响稳定阶段，围岩变形趋向稳定，变形量不大。巷道Ⅱ围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，保护煤柱不足够宽时，受上部煤层工作面A回采影响期间显著变形，然后又趋向稳定；受上部煤层工作面B回采影响期间强烈变形，然后再次趋向以较大的变形速度持续变形（图7-12(a)）。巷道Ⅲ围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，工作面跨越开采时引起围岩强烈变形，然后又趋向稳定（图7-12(b)）。（2）底板巷道的矿压显现规律45

图7-12受上部煤层采动影响底板巷道变形a—保护煤柱不够宽条件下b—采面跨采条件下图7-12受上部煤层采动影响底板巷道变形46

9、上、下山巷道的位置按巷道与回采空间的相对位置和回采顺序，可将上、下山的布置方式归纳为图7-13所列举的类型：(1)位于煤层内用煤柱保护的上、下山。(2)位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山(3)上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采。跨越方式如图7-13c所示，左翼工作面先回采到上、下山附近处停采，然后右翼工作面跨越上、下山回采到左翼工作面停采线附近处停采。9、上、下山巷道的位置47

(4)上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采。跨越方式如图7-13d所示，右翼工作面在左翼工作面还远离上、下山时就跨越上、下山。

上、下山（图7-13(d)）巷道的围岩变形只经过掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，跨采引起围岩变形急剧增加，以及跨采之后围岩变形趋向稳定四个时期，总变形量显著减少（图7-14）。(4)上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山48

图7-13受采动影响的上、下山布置方式

图7-1349

图7-14上、下山（图7-13(d)）巷道围岩变形

图7-14上、下山（图7-13(d)）巷道围岩变503矿山压力的应对

面对矿山压力，巷道的保护及支护措施可以归纳为以下几点：(1)通过在巷道围岩中钻孔卸压、切槽卸压、宽面掘巷卸压以及在巷旁留专门的卸压空间等方法，使巷道围岩受到某种形式的不同程度的卸载、移压。(2)将巷道布置在低应力区，躲开高应力区，称躲压。(3)利用可缩性支护，允许巷道有一定变形，将高应力释放出来，缓解矿山压力，称让压。⑷采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷道周边喷浆、支架壁后充填、围岩疏干封闭等方法，增高围岩强度，优化围岩受力条件和赋存环境。⑸架设支架对围岩施加径向力，既支撑松动塌落岩石，又能加大巷道的围压，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制塑性变形区和破裂区的发展。3矿山压力的应对51矿山压力对掘进施工的影响52

巷道围岩稳定性分类及支护选择：（1)巷道围岩稳定性分类巷道围岩稳定性的类别是一个模糊概念,选用模糊聚类分析方法。分类指标：属于围岩强度方面。巷道顶板岩石单向抗压强度。煤层单向抗压强度。巷道底板岩石单向抗压强度。围岩岩体完整性指数。

巷道围岩稳定性分类及支护选择：53

属于围岩应力方面巷道埋深，本区段采动影响指标，相邻区段采动影响指标。回采巷道围岩稳定性分类指标聚类中心值属于围岩应力方面54支护选择Ⅰ类围岩（非常稳定）：一般多为砂岩、石灰岩等岩石巷道，岩性坚硬、完整。可采用锚喷支护，效果良好，也易于支护。Ⅱ类围岩（稳定）：一般为岩石巷道，岩体比较完整，整体性好，易于支护，可采用锚喷、锚网喷支护，能满足安全需求。Ⅲ类围岩（中等稳定）：岩性较差的岩石巷道，或煤层巷道，可采用金属支架支护；顶板比较完整时，可采用锚带网索支护，充分发挥锚杆、锚索主动支护的作用，提高围岩的自承力，降低围岩松动圈。Ⅳ类围岩（不稳定）：一般为地质构造区或应力集中区，地压大，围岩松软易变形，断面收缩量大。支护选择Ⅰ类围岩（非常稳定）：一般多为砂岩、石灰岩等岩55一般采用U型金属支护，或高强度锚带网索支护。在巷道设计时，尽量布置在原岩应力区，避开高应力。Ⅴ类围岩（极不稳定）：围岩破碎，塑性变形量大，设计时，巷道要尽力避开应力集中区，同时单一支护方式已难于满足安全需求。可采用联合（复合）支护方式。如：锚喷＋U型棚联合支护，小棚套大棚复合支护，锚杆＋锚索组合支护，巷道壁后充填（浅孔注浆）＋深孔注浆。还有二次支护理念，第一次用可缩性支护，进行围岩观测，当巷道围岩有一定变形，释放一定压力后，围岩趋于稳定时，进行有针对性的二次支护。一般采用U型金属支护，或高强度锚带网索支护。在巷道设计时，56矿山压力对掘进施工的影响57矿山压力对掘进施工的影响58结束语

在实际煤矿生产中，矿山压力对掘进的影响往往是多种因素同时作用的，不能用单一的思维来应对。应普遍遵循以下原因：1、在巷道设计时，要通盘考虑问题，将巷道布置在低应力区，或原岩应力区。如布置在采空区下部底板岩层中，区段巷道采用沿空掘巷，不留煤柱，避开高应力区。2、将巷道尽量避开大的地质构造区、水纹条件复杂区，水对巷道施工影响很大，同时水会造成岩石泥化，不利于支护。3、巷道要绝对避开支承压力重叠区，此区产生的叠加支承压力非常大，巷道支护极端困难，威胁安全生产。4、根据具体条件，优化支护设计，增强支护强度，保障安全生产。结束语在实际煤矿生产中，矿山压力对掘进的影响往往是多种59煤矿的四大动力现象

1、瓦斯喷出。2、煤与瓦斯突出。3、顶板大面积来压。4、冲击地压。

冲击地压：井巷或采场周围岩体在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能突然释放而产生的突然、急剧、猛烈的动力现象。

现象：常伴有很大的响声、岩体的震动和冲击波，在一定的范围内可以感到周围介质的震动；有时向采空空间抛出大量的碎煤或岩块，形成很多煤尘；有时还释放出大量的瓦斯。常导致巷道支架破坏，设备移动和空间被堵塞，危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重，在地下开采中易造成严重的自然灾害。煤矿的四大动力现象1、瓦斯喷出。60

在我国，冲击矿压最早于1933年发生在抚顺胜利矿。以后，随着采深的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、枣庄、开滦、大同、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后发生和记录了冲击矿压。随着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将日益突出。世界上几乎所有采煤国家都不同程度地受到冲击矿压的威胁。1783年英国在世界上首先报导了煤矿中所发生的冲击矿压。根据原岩（煤）体应力状态分类：重力应力型冲击矿压:主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击地压，如枣庄、抚顺、开滦等局发生的冲击地压。构造应力型冲击地压:若构造应力远远超过岩层自重应力时，主要受构造应力的作用引起的冲击地压，如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。中间型或重力—构造型冲击地压:它是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。在我国，冲击矿压最早于1933年发生在抚顺胜利矿。以61

根据冲击的显现强度分类

弹射:一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。

矿震:它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮’。

弱冲击:煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏，围岩产生震动，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。

强冲击:部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。根据冲击的显现强度分类62

根据震级强度和抛出的煤量分级：轻微冲击:抛出煤量在10t以下，震级在１级以下冲击地压中等冲击:抛出煤量在10~50t，震级在1~2级的冲击地压强烈冲击:抛出煤量在50t以上，震级在２级以上的冲击地压。根据震级强度和抛出的煤量分级：63

谢谢！

谢谢！

64演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！65矿山压力对掘进施工的影响淮北煤矿安全技术培训中心潘圣勇矿山压力对掘进施工的影响661矿山压力何为矿山压力？1矿山压力何为矿山压力？67通过这些图片，大家看到什么？1、巷道整体变形，断面严重缩小，且形状不规则。2、金属支架变形、扭曲，失去原有形状。3、巷道顶板下沉，两帮相互移近，底板膨起。4、巷道周边岩石离层、脱落，随时会滑落、片帮、掉顶的危险。造成巷道变形的原因就是矿山压力。矿山压力对掘进施工的影响68

矿山压力：

由于在地下进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力，简称矿压，也叫地压、岩压等。而造成巷道受压变形、掉顶、片帮、底膨的现象叫矿山压力显现。

原岩应力：地下岩体在采动以前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力。因为开采前的岩体处于静止状态，所以原岩体是处于应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道和回采工作面周围的煤岩体发生破坏矿山压力：69，这种情况将持续到煤岩内部重新达到新的应力平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围的煤岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场。构造应力：在各种地壳构造运动作用力的影响下,地壳中所产生的应力称为构造应力。

，这种情况将持续到煤岩内部重新达到新的应力平衡为止。此时，巷70矿山压力分析1、原岩体内掘进巷道引起的围岩应力变化：巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，围岩仍处于弹性状态，围岩应力可用弹性力学方法按平面应变问题计算。双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图所示。矿山压力分析1、原岩体内掘进巷道引起的围岩应力变化：71

圆形巷道围岩弹性变形应力分布圆形巷道围岩弹性变形应力分布72如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质，巷道围岩应力分布如图所示。在塑性区内圈（A）围岩强度明显削弱，低于原始应力γH，围岩发生破裂和位移称为破裂区，也叫卸载和应力降低区。塑性区外圈（B）的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力增高区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边73

圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布

A—破裂区；B—塑性区；C—弹性区；D—原始应力区圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布742、回采工作面周围支承压力分布：煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道，它的维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外，主要取决于采动影响。煤层开采以后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带（图）。2、回采工作面周围支承压力分布：75

图采空区应力重新分布概貌

1—工作面前方超前支承压力2、3—工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力4—工作面后方采空区支承压力图采空区应力重新分布概貌176

支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩应力的比值。支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。目前，上述参数主要由现场实测取得。

77

工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相当于2～3.5倍回采高度。影响范围为40～60m，少数可达60～80m，应力增高系数为2.5～3。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达35～40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。采空区内支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。

工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相78

相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。例如，在上下区段之间，上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高(图)。举例：8210切眼支护问题。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互79

图煤层凸出角处叠加支承压力

图煤层凸出角处叠加支承压力80矿山压力对掘进施工的影响813、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定（1）巷道围岩应力影响带巷道开掘以后，巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰乱的区域称为影响带，一般以超过原岩应力值的5％作为影响带的边界。如果相邻巷道的应力影响带彼此不重叠，可以忽略巷道间的相互影响。如果相邻巷道的应力影响带彼此重叠，但没有到达相邻巷道，可进行巷道围岩应力值的叠加。

3、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定82在静水压应力场中，弹性变形巷道的应力影响区域形状为半径等于6r的圆（r为巷道断面半径）。在非静水压应力场中，巷道的应力影响区域形状不再是圆形，一般为长轴不大于12r的椭圆。因此，断面相同两圆形巷道的间距D为6r＜D＜12r半径不同两圆形巷道的间距D为6R＜D＜6（r＋R）如果巷道周边形成塑性变形区，相邻巷道的应力影响带不宜超过塑性变形区与弹性变形区的交界面。在静水压应力场中，弹性变形巷道的应力影响区域形状为半径等于683（2）巷间岩柱的稳定性岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩柱强度。当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时，岩柱是不稳定的。

岩柱的强度主要由组成岩柱的岩体强度、岩柱的宽度和高度及总的构造特征决定。已为大量现场资料所验证的经验公式有Obert-Dwvall/Wang(1967)和Bieniawski(1968)公式：

（2）巷间岩柱的稳定性84式中R—岩柱强度，MPa；RC—原位临界立方体单轴抗压强度，MPaB—岩柱宽度，m；h—岩柱高度，m。RC1—临界尺寸岩柱的强度，MPa。式中R—岩柱强度，MPa；85（3）相邻巷道间合理距离我国煤矿目前采深条件下，大巷间的距离以20～40m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，大巷间距可减小至10m；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可增大至50m。上下山及集中巷间距以15～30m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，上述距离可减小到10m，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应扩大到40～50m。（3）相邻巷道间合理距离864、构造应力对巷道稳定性的影响（1）构造应力构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。(2）水平应力对巷道稳定性的影响水平应力是影响巷道顶板冒落、底板臌起、两帮内挤的主要因素。顶板岩层在水平应力作用下可能出现两种破坏形式：一是薄层页岩类岩层沿层面滑移。二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。

4、构造应力对巷道稳定性的影响87水平应力作用下顶板的破坏a-薄层页岩顶板

b-厚层砂岩顶板水平应力作用88水平应力作用下巷道底鼓水平应力作用下巷道底鼓89水平应力作用下巷道两帮破裂

水平应力作用下巷道两帮破裂90（3）合理的巷道布置方向巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。因此，在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。（3）合理的巷道布置方向91

图巷道轴向与构造应力成一定角度时周边围岩应力计算简图图巷道轴向与构造应力成一定角度时92

图巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应力分布。a—平行构造应力；b—垂直构造应力

图巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应93巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳定性影响最小；巷道轴向与构造应力方向垂直时，影响最大。构造应力对巷道稳定程度的影响，主要随α角正弦的平方值变化，如果α角小于250～300时，构造应力对巷道稳定性的影响无明显变化。

巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳945、受采动影响巷道的围岩变形（1）巷道围岩变形量的构成巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板臌起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。（2）巷道围岩变形规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段（图）。

5、受采动影响巷道的围岩变形95

图区段平巷围岩变形图区段平巷围岩变形96巷道掘进影响阶段煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道埋藏深度和围岩性质。(2)

掘进影响稳定阶段掘巷引起的围岩应力重新分布趋于稳定，由于煤岩一般具有流变性，围岩变形还会随时间而缓慢增长，但其变形速度比掘巷初期要小得多。巷道的围岩变形速度仍取决埋藏深度和围岩性质。巷道掘进影响阶段97（3）采动影响阶段巷道受上区段工作面（A）的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面（A）后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。（3）采动影响阶段98（4）采动影响稳定阶段

回采引起的应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低，但仍然高于掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不断缓慢地增长。（4）采动影响稳定阶段996、受采动影响巷道矿压显现规律（1）巷道位置类型根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同，巷道位置可以分为以下几类：本煤层巷道：与回采空间在同一层面的巷道。分析本煤层巷道位置时，仅考虑回采空间周围煤体上支承压力的分布规律，可作为平面问题处理。6、受采动影响巷道矿压显现规律100底板巷道：与回采空间不在同一层面，其下方的巷道。分析底板巷道位置时，应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律，按空间问题处理当然。顶板巷道：位于回采空间所在层面上方的巷道称为。厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采面的采动影响。分析这类巷道位置时，依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系，综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。底板巷道：与回采空间不在同一层面，其下方的巷道。分析底板1017、区段巷道的位置和矿压显现规律区段巷道的布置方式：根据区段回采的准备系统，区段巷道可分成三种布置方式。（1）位于未经采动的煤体内，巷道两侧均为煤体，称为煤体-煤体巷道(图7-9Ⅰ)

。

7、区段巷道的位置和矿压显现规律102

图7-9区段巷道布置方式示意图a—煤柱护巷；b—无煤柱护巷

图7-9区段巷道布置方式示意图103

（2）巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，保护煤柱一侧的采面采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体-煤柱巷道（采动稳定）(图7-9Ⅱ1)

；（3）巷道一侧为煤体，另一侧为采空区,采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为煤体-无煤柱（沿空掘进）巷道(图7-9Ⅱ2)

；如果通过加强支护或采用其它有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为煤体-无煤柱（沿空保留）巷道(图7-9Ⅲ2)

。

（2）巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，保护煤柱一侧的采面104综上所述区段巷道的布置方式可简述为：

综上所述区段巷道的布置方式可简述为：105

区段巷道矿压显现规律：（1）煤体-煤体巷道服务期间内，围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。由于巷道在采面后方已经废弃，巷道仅经历采面前方采动影响，围岩变形量比采动影响阶段全过程小得多，一般仅1/3左右。（2）煤体-煤柱（采动稳定）或沿空掘进巷道服务期间，围岩的变形同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。但是巷道整个服务期间内，始终受相邻区段采空区残余支承压力的影响，三个影响阶段的围岩变形均大于煤体-煤体巷道。区段巷道矿压显现规律：106（3）煤体-煤柱（正采动）或沿空保留巷道服务期间，围岩的变形将经历：

巷道掘进影响阶段掘进影响稳定阶段采动影响阶段采动影响稳定阶段二次采动影响阶段全部的五个阶段。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。（3）煤体-煤柱（正采动）或沿空保留巷道服务期间，围岩的107

8、底板巷道的位置和矿压显现规律（1）底板巷道的位置

按照巷道与上部煤层回采空间的相对位置和开采时间关系，巷道的位置可归纳以下三种情况：①巷道布置在已稳定的采空区下部。在上部煤层回采空间形成的底板应力降低区内，巷道整个服务期间内不受采动影响。②巷道布置在保护煤柱下部。经历保护煤柱两侧回采工作面的超前采动。保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。③巷道布置在尚未开采的工作面下部。经历上部采面的跨采影响后，位于已稳定的采空区下部应力降低区内。8、底板巷道的位置和矿压显现规律108

图7-11底板巷道位置Ⅰ—在已稳定的采空区下部；Ⅱ—在保护煤柱下部；Ⅲ—在尚未开采工作面下部，经历上部采面的跨采影响图7-11底板巷道位109

（2）底板巷道的矿压显现规律底板巷道从开掘到报废，由于上部煤层的采动影响，引起围岩应力反复重新分布，围岩变形速度随之变化。巷道Ⅰ在应力降低区内巷道掘进影响阶段，然后进入掘进影响稳定阶段，围岩变形趋向稳定，变形量不大。巷道Ⅱ围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，保护煤柱不足够宽时，受上部煤层工作面A回采影响期间显著变形，然后又趋向稳定；受上部煤层工作面B回采影响期间强烈变形，然后再次趋向以较大的变形速度持续变形（图7-12(a)）。巷道Ⅲ围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，工作面跨越开采时引起围岩强烈变形，然后又趋向稳定（图7-12(b)）。（2）底板巷道的矿压显现规律110

图7-12受上部煤层采动影响底板巷道变形a—保护煤柱不够宽条件下b—采面跨采条件下图7-12受上部煤层采动影响底板巷道变形111

9、上、下山巷道的位置按巷道与回采空间的相对位置和回采顺序，可将上、下山的布置方式归纳为图7-13所列举的类型：(1)位于煤层内用煤柱保护的上、下山。(2)位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山(3)上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采。跨越方式如图7-13c所示，左翼工作面先回采到上、下山附近处停采，然后右翼工作面跨越上、下山回采到左翼工作面停采线附近处停采。9、上、下山巷道的位置112

(4)上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采。跨越方式如图7-13d所示，右翼工作面在左翼工作面还远离上、下山时就跨越上、下山。

上、下山（图7-13(d)）巷道的围岩变形只经过掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，跨采引起围岩变形急剧增加，以及跨采之后围岩变形趋向稳定四个时期，总变形量显著减少（图7-14）。(4)上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山113

图7-13受采动影响的上、下山布置方式

图7-13114

图7-14上、下山（图7-13(d)）巷道围岩变形

图7-14上、下山（图7-13(d)）巷道围岩变1153矿山压力的应对

面对矿山压力，巷道的保护及支护措施可以归纳为以下几点：(1)通过在巷道围岩中钻孔卸压、切槽卸压、宽面掘巷卸压以及在巷旁留专门的卸压空间等方法，使巷道围岩受到某种形式的不同程度的卸载、移压。(2)将巷道布置在低应力区，躲开高应力区，称躲压。(3)利用可缩性支护，允许巷道有一定变形，将高应力释放出来，缓解矿山压力，称让压。⑷采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷道周边喷浆、支架壁后充填、围岩疏干封闭等方法，增高围岩强度，优化围岩受力条件和赋存环境。⑸架设支架对围岩施加径向力，既支撑松动塌落岩石，又能加大巷道的围压，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制塑性变形区和破裂区的发展。3矿山压力的应对116矿山压力对掘进施工的影响117

巷道围岩稳定性分类及支护选择：（1)巷道围岩稳定性分类巷道围岩稳定性的类别是一个模糊概念,选用模糊聚类分析方法。分类指标：属于围岩强度方面。巷道顶板岩石单向抗压强度。煤层单向抗压强度。巷道底板岩石单向抗压强度。围岩岩体完整性指数。

巷道围岩稳定性分类及支护选择：118

属于围岩应力方面巷道埋深，本区段采动影响指标，相邻区段采动影响指标。回采巷道围岩稳定性分类指标聚类中心值属于围岩应力方面119