第八章巷道维护原理和支护技术.

8巷道维护原理和支护技术8.1无煤柱护巷8.2巷道围岩卸压8.3巷道金属支架8.4巷道锚杆支护8.5软岩巷道围岩变形规律及其支护技术8.6锚杆支护质量监测8.7本章小结矿山压力与岩层控制图8-1留煤柱护巷示意图8.1无煤柱护巷8.1.1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1）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式中p—煤柱上的总载荷，kN；B—煤柱宽度，m；L—采空区宽度，m；H—巷道埋深，m；δ—采空区上覆岩层垮落角；γ—上覆岩层平均体积力，kN／m3。42ctgLHLBp煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：上述计算尽管经过简化，以平面问题代替空间问题，以均质的上覆岩层取代复杂的岩层赋存状况，未涉及上覆岩层的移动等。但迄今它仍是比较简单和实用的煤柱载荷估算方法。BctgLHLBBp42(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σ不超过它的极限强度R(七章一节)。煤柱的宽度B计算式：hBRctgLHLBBC222.0778.04110002hBRctgLHLBBC36.064.041100012hBRRC222.0778.0hBRRC36.064.01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。2）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—弹性应力分布曲线；2—弹塑性应力分布曲线；Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力升高部分；Ⅳ—原始应力区煤柱(体)的承载能力，随着远离煤体(煤柱)边缘而明显增长。在距煤体(煤柱)边缘一定宽度内，存在着煤柱(体)的承载能力与支承压力处于极限平衡状态，运用岩体的极限平衡理论，塑性区的宽度，即支承压力峰值与煤体(煤柱)边缘之间的距离x0。在生产实际中，x0的变化范围为3～20m，一般为5～12m。应力降低区宽度的变化范围为2～7m，一般为3～5m。(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：①B＞2L时（图8-4）煤柱中央的载荷为均匀分布，且为原岩应力γH。由于煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般将出现破裂区、塑性区、弹性区、原岩应力区。②2L＞B＞L时，在煤柱中央由于支承压力的叠加，应力大于γH，沿煤柱宽度方向应力呈马鞍形分布，弹塑性变形区及应力分布见图8-5。③B＜L时，两侧边缘的支承压力峰值将重叠在一起，煤柱中部的载荷急剧增大，应力趋向于均匀分布（图8-6）。受两侧采动影响时，K值可达到4～5以上，在煤柱中央可能因长期处于塑性流动状态而遭到严重破坏。图8-4煤柱宽度很大时弹塑性变形区及垂直应力分布Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—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Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—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Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区图8-7煤柱的弹塑性变形区及应力分布3）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。102xmxB(3)确定煤柱宽度的经验公式计算护巷煤柱宽度的经验公式，基本上以煤柱宽度为开采深度、煤柱高度和围岩性质的函数。在英国获得应用的经验公式为：B＝0.1H＋13.7式中H—矿井开采深度，m。在美国一些地区经常应用的经验公式为：B＝0.1H＋4M＋6.1式中M—煤柱高度，m。我国应用的经验公式为：中等稳定围岩底板为薄层软岩底板为较厚软岩210034.110022.867.17HHB210012.710035.1559.49HHB210079.610074.2721.0HHB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—顶底板为泥质页岩或较破碎的砂质页岩(曲线上的数据为距工作面距离)8.1.3沿空掘巷的矿压显现规律（1）沿倾斜方向支承压力分布规律根据实测数据统计计算结果，不同围岩性质和开采深度条件下，上区段回采影响已稳定后掘进的回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值可参见表8-1。表8-1回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值H/m巷道埋藏深度/m围岩性质200300400500600700比较稳定182124273033中等稳定192430354247不稳定243039485358(2)老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系关键层理论是分析研究沿空巷道上覆岩层稳定性的理论基础，与采场相比沿空巷道顶板岩层结构具备以下特征(图8-8)：①在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，上覆岩层结构运动形式有所不同。②沿空巷道沿相邻区段采空区边缘布置，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，与巷道顶板下沉变形基本一致。在采空区边缘煤体弹性应力高峰采空区一侧存在一个相对低应力状态的峰后煤体，即煤体内的破裂区和塑性区。若在其中布置巷道，支护载荷相对较小，这是沿空巷道支护的主要力学特征。图8-8采空区上覆岩层结构示意图（3）沿空掘巷的矿压显现沿空掘巷的围岩应力和围岩变形沿空掘巷之前，岩层运动已经稳定的采空区附近，处于极限平衡状态下煤体的残余支承压力分布见图8-10中1。沿空掘巷破坏了原有平衡，在巷道边缘的煤体会出现新的破裂区、塑性区，支承压力向煤体深部移动（图8-10中2）。移动距离近似等于巷道宽度，应力场扰动不大，一般经过10d左右，变形速度趋向稳定。图8-10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8-11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5～8m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8-11中1）。最终应力分布状态如图8-11中2所示。窄煤柱巷道掘进位置一般刚好处于残余的支承压力峰值下。巷道掘进后窄煤柱遭到破坏而卸载，引起煤柱向巷道方向强烈移动。巷道另一侧的煤体，由原来承受高压的弹性区，衍变为破裂区、塑性区。窄煤柱巷道围岩一直保持较大的速度持续变形，顶板强烈下沉和底板鼓起。巷道的压力主要来自窄煤柱一侧，窄煤柱实际上已遭到严重破坏，不仅对顶板支承作用有限，而且使巷道实际跨度和悬顶距离增加。因此，窄煤柱巷道的围岩变形要比沿空巷道大一倍左右。(4)沿空掘巷的三种方式①完全沿空掘巷就是上区段采动影响稳定后，紧贴上区段废弃的巷道，在煤层边缘的煤体内重新掘进一条巷道，如图8-12所示。②留小煤墙沿空掘巷方式的特点是上区段采动影响稳定后，巷道不紧贴上区段采空区边缘掘进，而是在巷道与采空区之间留设1～3m的隔离小煤墙(图8-13)。③保留老巷部分断面的沿空掘巷基本上是留一条巷掘一条巷，巷道的维护费用和材料消耗会大幅度地增加。实际可用大断面的沿空掘巷或留巷取代。图8-12完全沿空掘巷图8-13留小煤墙沿空掘巷保留老巷部分断面沿空掘巷LZ-滞后掘进距离在我国煤矿中较常应用的是留小煤墙的沿空掘巷方式。小煤墙对挡矸和防止采空区积水进入巷道能起一定作用；巷道在煤体内掘进，两侧为煤壁有利于提高掘进速度。但是小煤墙很难隔离火区，防止漏风和隔绝采空区有害气体渗漏。需要留设小煤墙时，其宽度一般不宜超过1～3m。8.1.4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8-14）。沿空巷道位于采空区边缘，保留巷道期间经历上区段工作面的采动影响，巷道顶板的下沉、破坏必然受到采空区上覆岩层沉降总规律的制约。上区段工作面采过后，沿空巷道经历老顶岩层从即将断裂前的极限状态到发生断裂失稳，然后到回转下沉压实采空区的过程。图8-14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(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。①采面前20～40m处煤层上覆岩层开始运动，但下沉速度很小，为岩层起始沉降期。②煤层开采后，垮落带岩层冒落，规则移动带岩层及上覆岩层急剧沉降，在工作面后方10～20m处，下沉速度最大。在工作面后方0～60m范围内，下沉量占最终下沉量的80％左右，称为岩层强烈沉降期。③在工作面后方约60m以外，规则移动带及上覆岩层沉降速度逐渐衰减，在工作面后100m左右，岩层运动基本稳定。这个时期内岩层的下沉量占最终下沉量的15％左右，称为岩层沉降衰减期。④如果直接顶板冒落能够填满采空区，使老顶处于平衡状态，采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚呈正比关系，一般为采高的10％～20％，基本上属于“给定变形”。沿空巷道的顶板往往明显地向采空区方向倾斜，倾角一般为30～60。8.1.5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。其力学特性如图所示。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。不同巷旁支护类型的力学特性1—混凝土砌块；2—摩擦支柱密集支护；3—木支柱密集支护；4—木垛；5—矸石带整体浇注巷旁充填技术整体浇注巷旁充填技术是我国近年研究和应用的先进的巷旁充填技术。它具有增阻速度快、支承能力大、密封性能好和机械化程度高等优点。我国以成本相对较低，质量更为稳定的硫铝酸盐水泥熟料作为高水速凝材料的基材。高水净浆充填材料均用泵输送，高水材料双路水力充填工艺系统，输送水平距离＞1000m，充填点用塑料充填袋储集混合后的料浆，料浆凝固形成整体充填体。对于高水灰渣材料，可以采用活动钢模板替代塑料充填袋。采用喷浆机风力充填时，系统简单可随工作面推进而移动，输送水平距离不宜超过200m。高水材料双路水力充填工艺系统1—液压泵站；2—往复泵；3—搅拌机；4—泥浆过滤器；5—主料输送管；6—配料输送管；7—活动钢模板或充填袋；8—充填体高水材料喷浆机风力充填工艺系统1—胶结料；2—细集料；3—搅拌机；4—转载机；5—喷浆机；6—水；7—潜水泵；8—电；9—压风；10—控制车；11—布织胶管；12—胶管；13—喷枪水环；14—球阀；15—活动钢模板16—充填体（3）巷旁支护的适用条件沿空留巷的围岩应力和变形主要受规则移动带岩层平衡前运动形式的制约，工作面顶板分级、分类全面反映规则移动带岩层的强度性质和结构特征。对于Ⅰ级Ⅰ类至Ⅲ级Ⅲ类顶板围岩条件，适