第八章巷道维护原理和支护技术

第八章巷道维护原理和支护技术第一节无煤柱护巷第二节巷道围岩卸压第三节巷道金属支架第四节巷道锚杆支护第五节软岩巷道围岩变形规律及其支护技术第六节锚杆支护质量监测矿山压力与岩层控制图8-1留煤柱护巷示意图第一节无煤柱护巷一、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（一）煤柱的载荷1．煤柱载荷的估算42ctgLHLBp图8-2计算煤柱载荷示意图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（二）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；2—弹塑性应力分布；Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力升高部分；Ⅳ—原始应力区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）②2L＞B＞L时，见图8-5。③B＜L时(图8-6）,受两侧采动影响时，K值可达到4～5以上.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（三）、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。xmxB20二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系(1)在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度差异悬殊。(2)沿空巷道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,老顶一般可视为亚关键层。图8-8采空区上覆岩层结构示意图图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三、沿空掘巷的矿压显现规律（一）沿倾斜方向支承压力分布规律（二）巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系巷道埋藏深度/m围岩性质200300400500600700比较稳定182124273033中等稳定192430354247不稳定243039485358表8-1回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值B/m图8-10μ-x关系曲线示意图（三）沿空掘巷的矿压显现1．沿空掘巷的围岩应力和围岩变形图8-11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8-12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2．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8-12中1）。最终应力分布状态如图8-12中2所示。图8-13完全沿空掘巷图8-14留小煤墙沿空掘巷沿空掘巷的三种方式：完全沿空掘巷、留小煤柱掘巷、保留部分老巷断面掘巷方式。四、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8-15）。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。图8-15沿空留巷工作面巷道平面布置图a—向长壁沿空留巷b—倾斜长壁沿空留巷五、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。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。3．整体浇注巷旁充填技术整体浇注巷旁充填技术具有增阻速度快、支承能力大、密封性能好和机械化程度高等优点，使发展沿空留巷技术的关键问题得到解决。第二节巷道围岩卸压一、跨巷回采进行巷道卸压1．跨巷回采卸压的机理根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可在巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置。2、跨巷回采的应用及矿压显现规律跨巷回采期间，巷道将顺次受到跨采面的超前支承压力和上覆岩层垮落的影响，剧烈影响范围和程度与开采深度、围岩的力学性质及巷道与开采煤层的法向距离有关。只要与采空区煤壁边缘的水平距离适当，跨采后巷道可以长期处于应力降低区。图8-16区段煤柱对跨采上山围岩变形的影响1－不留区段煤柱、先跨；2—留区段煤柱、先跨3—留区段煤柱、后跨；4—较宽的煤柱维护上山图8-17切缝对圆形巷道周边应力分布的影响a—无切缝；b—两帮切缝；c—顶底切缝；d—两帮及顶底同时切缝二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压1．巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响2．巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用图8-18钻孔卸压现场试验结果1—未卸压2—卸压钻孔深8m3—卸压钻孔深9m图8-19底板切槽对底板稳定性的影响Ⅰ—a／b＞1时；Ⅱ—a／b＜1时3．巷道围岩松动爆破卸压法的应用图8-20松动爆破卸压钻孔布置卸压措施适用范围巷道类型埋深/m底板岩层强度/MPa采取的卸措施60020～3590030～45钻孔、开槽卸载、药壶爆破120040～60爆破卸载不受采动影响150050～70加固不同煤层厚(m)下的底板岩层强度/MPa11.21.51.82.060020～3520～3020～252090030～5025～5020～4520～3020～25120040～7030～6030～5030～4020～30受一次采动影响150050～9040～7030～6030～4030～40钻孔、开槽卸载、药壶爆破受二次采动影响600～80050～60药壶爆破表8-2卸压措施合理使用范围三、利用卸压巷硐进行巷道卸压利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。图8-21巷道一侧卸压巷硐的卸压原理1—被保护巷道；2—卸压巷道；3—让压煤柱；4—承载煤柱1．在巷道一侧布置卸压巷硐在护巷煤柱中与巷道间隔一段距离掘一条卸压巷道，形成的窄煤柱称为让压煤柱，宽煤柱称为承载煤柱图8-22胶带输送机硐室顶部卸压1－输送机硐室；2—卸压巷道；3—松动爆破区2．在巷道顶部布置卸压巷硐卸压巷硐布置在被保护巷道与上部开采煤层之间,使被保护巷道避开上部煤层跨采时产生的剧烈影响，处于卸压巷硐形成的应力降低区内。图8-23本煤层沿顶板布置卸压巷道卸压表8-3卸压前后巷道围岩变形参数对比工作面前50m工作面前120m工作面前50m工作面前120m最大变形速度/mm·d-1平均变形速度/mm·／d-1围岩变形量/mm参数顶底两帮顶底两帮顶底两帮顶底两帮顶底两帮卸压797620.138.434.751.09161267386515不卸压19925663.550.3112.799.7234719621300997卸压／不卸压40％30％31.7％76.3％30.8％51.2％39.0％64.6％29.7％51.7％图8-24宽巷（面）掘进卸压1—宽巷（面）掘进卸压后支承压力分布；2—侧巷3、宽面掘巷卸压宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把巷道两侧6～8m宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的空间，图8-25掘前预采巷道布置示意图四、掘前预采的应用第三节巷道金属支架一、巷道支架支护原理巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象—围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。2．“支架-围岩”相互作用的基本状态①当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架处于给定载荷状态。②当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架处于给定变形状态。图8-26“支架—围岩”相互作用力学模型a—给定载荷状态；b—给定变形状态3．“支架-围岩”相互作用原理巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，合理的“支架-围岩”相互作用关系是充分利用围岩的这种天然的自承力和承载力。图8-27支架与围岩的相互作用关系A—弹塑性阶段；B—松动破裂阶段4．“支架-围岩”相互作用原理的应用依据“支架-围岩”相互作用原理，在巷道支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：（1）实行二次支护（2）采用柔性支护（3）强调主动支护图8-28新U25型钢断面图二、巷道金属支架（一）矿用支护U型钢(a)(b)(c)图8-29双槽形夹板式连接件a—上限位连接件；b—中间连接件；c—下限位连接件1—上限位块2—下限位块图8-30拱形可缩性金属支架基本结构类型a—三节式；b—四节式；c—五节式；d—曲腿式；e—非对称式；f—封闭图8-31拱形支架断面基本参数基本参数选择范围备注R2／R11.0～1.4R2－R1≤800mmα1（0）90～140支架节数增加，相应加大H/mm≤1000α3（0）0～15α4（0）＜16400巷道净断面≤10m2450巷道净断面10～15m2C/mm500巷道净断面＞15m2L/mm2000～3500尽量相等表8-4我国拱形支架断面基本参数推荐值图8-32四节多铰摩擦可缩支架结构1—U型钢；2—铰结点；3—耳卡式连接件图8-33U型钢拱梯形可缩性支架断面参数图8-34马蹄形可缩性支架图8-35圆形可缩性支架图8-36环形可缩性支架a—方环形；b—长环形三、巷道支架选型1．金属支架的承载能力金属支架的承载能力分极限承载能力和实际承载能力。极限承载能力是指支架处于刚性状态下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑性变形为标准。实际承载能力是可缩性支架在收缩阶段表现出的承载能力，由连接件和支架的工作状况决定。表8-5不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益载荷形式均匀载荷顶压大（对称）侧压大（对称）一侧压力大一侧肩压大支撑效益kN／kg2.71.31.00.40.22．支架承载能力的计算力法以静不定结构中的多余约束力作为基本未知数，根据结构的变形条件建立方程，求解出多余未知力，然后根据平衡方程求出内力。位移法是以静不定结构中的节点位移作为基本未知数，根据结点或截面的平衡条件建立方程，求出位移值，然后根据结点位移与内力的关系式求出内力。对于支架形状、载荷分布比较复杂的