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矿压控制及冲击地压防治丰建荣博士13393417838太原理工大学矿业工程学院2019/8/18太原理工大学2一巷道围岩压力的概念二巷道支护及其材料三锚杆支护技术2019/8/18太原理工大学3一巷道围岩压力的概念（一）巷道围岩压力•地下岩体在开挖以前，由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态。•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，就会引起岩体内部应力的重新分布。•表现为巷硐周围煤、岩体产生移动、变形甚至破坏，直到煤、岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止。•在此过程中，巷道本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用。这种由于在地下煤岩中进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫做“矿山压力”。2019/8/18太原理工大学4一巷道围岩压力的概念•在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉，底板臌起，巷道变形后断面缩小，岩体破坏散离甚至大面积冒落，煤被压松产生片邦或突然抛出，支架严重变形或损坏，充填物被压缩，以及大量岩层移动地表塌陷等等。这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支护物产生的种种力学现象，统称为“矿山压力显现”。•围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力，称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的。从现象上看，属于变形压力范畴，但两者的变形机制截然不同，前者是指与水发生物理化学反应，后者主要是围岩应力与结构效应。2019/8/18太原理工大学52019/8/18太原理工大学62019/8/18太原理工大学72019/8/18太原理工大学8一巷道围岩压力的概念（二）影响巷道围岩压力的地质因素•影响围岩压力的因素很多，通常可分为地质、开采和支护等类，影响围岩压力的地质因素有：原岩应力状态、围岩力学性质及岩体结构等。•(1)原岩应力状态–原岩应力是引起围岩变形、破坏的基本作用力。原岩应力随开采深度的增加而增长。所以，随采深的增加，巷道围岩压力会明显增长。原岩体中主应力的大小和方向不同，对巷道的影响作用不同，也直接影响到围岩压力。•(2)围岩力学性质–围岩力学性质是指它的强度(包括抗压、抗拉、抗剪等各种强度和粘聚力c、内摩擦角φ等值)和变形性质及其它力学属性。不言而喻，强度小的岩体，围岩压力必然大，反之亦然。C、φ值大的岩体，其围岩压力小，反之亦然。其中φ的影响要较c大。岩体的变形性质是指它的弹性、塑性和粘性。岩体的塑性变形和粘性流动是影响围岩压力大小的重要因素，许多围岩压力较大的巷道，常常是由它引起的。2019/8/18太原理工大学9一巷道围岩压力的概念•(3)岩体结构–当结构面强度远小于结构体强度时，结构对围岩压力的影响极大。通常岩体破坏首先从弱面开始，这是围岩压力在节理和层理等弱面发育区、破坏带、断层和褶皱区显现强烈的重要原因。由于层状岩体具有定向弱面，所以层状岩体的走向和倾角也与围岩压力密切相关。如果岩层走向与巷道轴向平行或夹角很小，则岩体结构容易与巷道轴线形成不稳定的松动体，因而围岩压力大。水平岩层沿巷道侧帮的稳定性较好，因而帮压较小，而顶压较大。•(4)膨胀压力的影响因素–影响膨胀压力的因素主要有岩石的组成与胶结状态，物理化学性质，围岩中水分的补给状况，水与岩石的接触条件，支护和充填层的可塑性等。2019/8/18太原理工大学10冲击地压的分析与预防技术•冲击地压是井巷或工作面周围的煤岩体由于变形能的释放而产生的一种以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。•冲击地压的特点：1一般没有明显的预兆，难于事先确定发生的时间、地点和冲击强度；2发生过程短暂，伴随巨大声响和强烈震动；3破坏性很大，有时出现人员伤亡。2019/8/18太原理工大学11冲击地压的分析与预防技术•产生的条件•1．近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；•2．围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小;•3．埋深较大(一般埋藏深度多大于200m)且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；•4．地下水较少，岩体干燥;•5．开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。2019/8/18太原理工大学12冲击地压的分析与预防技术•防治措施分为两大类：一是防范措施；二是解危措施。•防范措施：开采保护层；尽量少留煤柱和避免孤岛开采；巷道布置尽量将主要巷道和硐室布置在底板岩层中；回采巷道采用大断面掘进，尽可能避免巷道多处交岔；加强顶板管理；煤层预注水，降低煤体的弹性和强度。•解危措施：卸载钻孔；卸载爆破；诱发爆破；煤层高压注水。2019/8/18太原理工大学13冲击地压的分析与预防技术•预防及处理•采取积极主动的预防措施和强有力的施工支护，确保岩爆地段的施工安全，将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低。在高应力地段施工中可采用以下技术措施：•1．在施工前，针对已有勘测资料，首先进行概念模型建模及数学模型建模工作，通过三维有限元数值运算、反演分析以及对隧道不同开挖工序的模拟，初步确定施工区域地应力的数量级以及施工过程中哪些部位及里程容易出现岩爆现象，优化施工开挖和支护顺序，为施工中岩爆的防治提供初步的理论依据。2019/8/18太原理工大学14冲击地压的分析与预防技术•2．在施工过程中，加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。采用上述超前钻探、声反射、地温探测方法，同时利用隧道内地质编录观察岩石特性，将几种方法综合运用判断可能发生岩爆高地应力的范围。•3．打设超前钻孔转移隧道掌子面的高地应力或注水降低围岩表面张力超前钻孔可以利用钻探孔，在掌子面上利用地质钻机或液压钻孔台车打设超前钻孔，钻孔直径为45mm，每循环可布置4～8个孔，深度5～10m，必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面，间距数十厘米，深度1～3m不等。必要时，若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂，或向孔内压水，以避免应力集中现象的出现。2019/8/18太原理工大学15冲击地压的分析与预防技术•4．在施工中应加强监测工作，通过对围岩和支护结构的现场观察、通过对辅助洞拱顶下沉、两维收敛以及锚杆测力计、多点位移计读数的变化，可以定量化地预测滞后发生的深部冲击型岩爆，用于指导开挖和支护的施工，以确保安全。•5．在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，同时利用光面爆破技术，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中发生的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。2019/8/18太原理工大学16冲击地压的分析与预防技术•6．加强施工支护工作•支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或塑料纤维混凝土，再加设锚杆及钢筋网。必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护。衬砌工作要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露的时间，减少岩爆的发生和确保人身安全，必要时可采取跳段衬砌。同时应准备好临时钢木排架等，在听到爆裂响声后，立即进行支护，以防发生事故。•7．对发生岩爆的地段，可采取在岩壁切槽的方法来释放应力。以降低岩爆的强度。•8．在岩爆地段施工对人员和设备进行必要的防护，以保证施工安全。2019/8/18太原理工大学17一巷道围岩压力的概念（三）巷道矿压控制原理•巷道中的矿压显现是客观的自然现象，除了一些特殊情况外，在采掘过程中企图完全消除这种现象是不可能的。然而在掌握巷道矿压显现规律的基础上，以岩石力学理论为指导，有可能在不同程度上减轻矿压显现对巷道的危害，从而达到安全生产和取得较好技术经济效果的目的，这是巷道矿压控制的基本任务。2019/8/18太原理工大学18一巷道围岩压力的概念•巷道矿压控制的三类方法及途径：–第一类：巷道保护–第二类：巷道支护–第三类：巷道维护（维修）•目前所采用的各种矿压控制方法，从对付矿压的原理来看包括：“抗压”、“让压”、“躲压”、“移压”等几种。2019/8/18太原理工大学19巷道矿压控制基本原理及途径控制方法基本原理具体措施举例主要优缺点抵抗矿压（抗压）提高支架的支撑能力或支护密度，用加强支护的手段去抑制或减少围岩移动，增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用1.增大型钢重量，提高支架承载能力2.增加支护密度3.充填支架背后空间巷道布置地点及掘进时间可不受限制，但为此要消耗大量支护材料，支护劳动量大，使开采费用大幅度提高忍让矿压（让压）在采用适当支护措施和保持支架本身不遭受严重破前提下，容忍围岩产生一定变形，以释放掉一些能量（也称应力释放）1.采用有一定工作阻力的大可缩支架2.为巷道受压收缩预留备用断面3.容忍巷道底鼓然后进行机械化起底可在一定程度上利用围岩自承力，减轻支架受载，应用得当可实现无维修护巷，对生产极为有利，但会增加支架结构的复杂性或多支出掘进与起底费用躲避矿压（躲压）将巷道布置在应力经重新分布后岩体已处于卸载状态的天然低应力区，从时间上和空间上躲开高压力的作用1.在煤体边缘或煤体下放的低压区内布置巷道2.错过高压作用的时间，等压力充分稳定后再掘巷可在不同程度上减轻巷道受压，有利于支护工作，但有时要多开一些辅助巷道（如联络眼等），或要求延迟掘进时间，不利于采掘接替工作转移矿压（移压）通过人为方法使巷道围岩受到松动，形成卸载槽孔或其他形式的卸载空间，迫使载荷转移到离巷道较远的地点，达到减轻巷道受压的目的1.在巷道或底板中形成卸载槽孔2.宽面掘进或在巷旁故意留出卸载空间3.用跨采工作面使巷道得到卸载巷道布置地点及掘进时间可不受限制，但要增加与采用卸载措施有关的额外费用2019/8/18太原理工大学20二巷道支护及其材料•传统的巷道支护有木支护、料石及混凝土砌碹、矿工钢支护、U型钢支护。目前，广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护。•一）木材支架•二）料石和混凝土砌碹料石支护的基本形状2019/8/18太原理工大学21二巷道支护及其材料•三）金属支架：–承载能力大，可多次复用，–储运方便，安装容易及迅速等优点。–①矿用工字钢刚性支架–②微拱形刚性金属支架–③矿用工字钢梯形可缩性支架–④U型钢拱形可缩性支架–⑤U型钢梯形可缩性支架四）锚杆支护2019/8/18太原理工大学22金属支架2019/8/18太原理工大学23二巷道支护及其材料•五）喷射混凝土支护–喷射混凝土支护是用喷射机将混凝土混合物喷射在岩石表面上硬化而成的一种支护。先将砂、石过筛，按配合比和水泥一同送入搅拌机内搅拌，然后用矿车将拌合料运送至工作面，经上料机装入以压缩空气为动力的喷射机，在经输料管吹送到喷头处与水混合后喷射在岩面上。•六）锚喷支护–锚杆和喷射混凝土虽各有优点，但也都有不足之处。锚喷联合支护，恰能做到使二者取长补短，互为补充，是一种性能更好的支护形式。锚杆与其穿过的岩体形成承载加固拱，喷射混凝土的作用则在于封闭围岩，防止风化剥落，和围岩结合在一起，对锚杆间的表面岩石起支护作用。2019/8/18太原理工大学24三锚杆支护技术2019/8/18太原理工大学25主要内容0锚杆支护发展1锚杆支护理论2锚杆支护体系3设计方法4施工5监测2.煤巷锚杆支护技术的沿革0我国煤巷锚杆支护技术的发展过程（1）起步阶段（80年代中后期）（2）攻关阶段（1991—1995年）（3）引进和消化阶段（1996—1997年）（4）推广和提高阶段（1998年至今）2.煤巷锚杆支护技术的沿革起步阶段•主要进行一些基础性的研究和试验•锚杆支护理论、锚杆支护材料、施工机具与岩石巷道相同•没有合理的监测仪器•煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区,如徐州、新汶、淮南、西山等。2.煤巷锚杆支护技术的沿革攻关阶段•煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关,取得了一大批科研成果：–出现了中性点等新理论–锚杆型式多样化–液压和电动钻机相继研究成功•锚杆支护应用范围明显扩大。–大断面开切眼–向围岩稳定性差的回采巷道发展2.煤巷锚杆支护技