巷道支护基础理论.docx
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巷道支护基础理论
巷道支护理论基础
主基内春
r巷道支护基本理论
三.煤巷顶板"故防治
1•卷道主要支护形式及其现状
煤巷支护主要形式
•木支架
•工字钢支架
•U型钢支架
•锚杆支护
•巷道变形量衣时上述支架难以满足支护要求木支架
•优点：
磁册轻、加工容易、架设方便.有破坏信号
•缺点：
强度低、易破坏、不防火、鸟腐蚀、风阻大
•适用条件：
巷道服务期较短、压力小、昕面枳不大
工字钢可缩性梯形支架井下应用
•埋深小于400m的煤巷，支护没有问题
工字钢可缩性梯形支架结构
适用巷道：
闱岩比较稳定
受动压影响
变形200—500nun
工字钢梯形支架破坏形式
U型钢可缩性拱形支架
适用巷道：
1•服务时间长2•闱岩不稳定3受动压影响人4•变形人于400nmi5•无底厳U型钢拱形支架破坏形式
严重变形拱形录像
U型钢可缩性圆形支架
适用巷道：
1•服务时间长
2.1韦|岩不稳定
3.受动压影响人
4•变形人于800nmi
5有底險
狒形•卷道时间长2•闱岩不稳定3•受动压影响人4•变形人于1000inm5有底險
低强度普通的锚杆支护
常用支架的破坏形式
1•埋深小于400ni的煤巷，支护没有问题
…木支架、工字钢支架和U型钢可缩性支架
2.埋深超过600m,传统支护不能适应
…木支架和金属刚性支架彻底毁坏
-U型钢可缩性支架严重变形
…低强度锚杆支护不能满足巷道维护要求
3•现代化采煤迫切需要高水平的锚杆支护
2、巷道变形破坏原因分析错误!
未找到引用源。
1•巷道鬧岩条件差2」制岩应力人3•支护不适应
岩石结构
岩石组构（fabric）,通常指其组织和构造。
从小范圉的岩块（rockelement）看岩石组织（texture）:
晶体+晶间质
（层理（沉积造成）
胶结质十孔隙（水）+微｛巧理（受力适成）I劈理（造岩形成）
岩石单晶体具有很高的强度，但孔隙及微节理使其削弱。
所以强度序次为：
晶体〉颗粒
＞岩块。
从校大范围看岩体Crockmass）构逍（structure）：
［岩块
岩体构造f层血（beddingplane）
I弱而（planeofweakness）^节理（joints）面间无错动
断层（faults）—面间有相对错动
以下约定偌石为不分“岩体”和"岩块”时的统称；岩体=岩块+弱面佶体中由弱面分割包围的即是岩块。
开采煤层顶底板岩层特点
图5-6顶板岩层典型柱状图实例
•埋藏深度100〜1000m,压力250〜2500X
•绝人多数顶板有直接顶、老顶和直接底、老底。
图材料破坏机理
岩块单轴压缩两种破坏形态
（页岩）（软钢）
60600
图1-34岩块单轴压缩
两种破坏形态
岩石与软钢应力一应变曲线
D（强度限，蜂值强度）
图1-7页岩全应力应变曲线与软钢应力应变曲线图
1—软钢应力应变曲线；2—页岩全应力应变曲线（试件d=55mm,A=51mm）
软钢：
a—比例极限心屈服限（弹性限）；力一屈服平台；c—屈服平台终端；d—强度限
岩石循环加载曲线
CT
岩块轴向与横向应力应变曲线
横向应変勺°轴向应变5
图1-12岩块的轴向与横向
应力应变曲线图
三向应力试验
泥岩三轴试验曲线
机械师载真三轴
试验示意图
图1-20茂名泥岩单轴和三轴试验结果山）
大理石三轴试验曲线
图1-19德国大理岩单轴和三轴试验结果
1—%=326MPa；2—249MPa;3一165MPa；
4一84・5MPa；5—62・5MPa；6一50MPa；
7——23・5MPa；8—0MPa
图1-41岩芯点荷试验
直剪试验
图1-39直剪仪压剪试验
1一岩石试件,2—钢弦测力计，3—聚四氟乙烯垫以
岩石抗剪强度试验
<<4）—>
门一50"事b—45";c一40。
岩石抗拉强度试验
医I1-35ISRJV1建以的劈裂试的烦形压楔
d—半球座；2—上圧楔•哼度为1.1Z）；3—下压橈多
4—销卡丁*5—/J、孑L事孑L径二销钉直径+Nee
岩石试件主破裂面
%
•刃
图1・25岩石试件主控破裂面照片
“一对角裂面；b、£一开口裂面,夂e-•闭口裂面
岩石破裂面
I豹1-26歼口毅1ST沖r恶聞冊栓的
亞位移必毘G联*系m
禺1-43极限尔阅他纟各线
1一~极限莫尔陨1$2—包络线
莫尔圆物理意义
L
图1-45莫尔圆的物理意义
1—最大应力圆$2—与.<73平面正交的
应力状态的图示
图M6应力酬的歸
莫尔圆的定量关系
0
图1-48库仑准则的图示
三轴压缩极限应力圆
1-49上轴压缩极限应力鬪
单轴压缩极限应力圆
图1-50单轴压缩极限应力圆
共规破裂面
图1-51共辄破裂面（X状节理的产生）
图1-52库仑准则在65平面的图示
用强度准则判断稳定性
图1-53用强度准则判断
稳定性的图解法
斜直线型莫尔包络线
图1-54斜直线型莫尔包络线
"一斜直线型包络线；〃一斜直线在受拉区的适用范围
格里菲斯机理
图1-56格氏准则在平面的图乐
地应力实测结果
1-26•与H的关系
岩石莉鮒叱亠
普氏地压假说
■
错误!
未找到引用源.
0）
助按酬讣算:
1|岩圧力的齢
太沙基地压学说
4
变形压力理论
囱怡相迫出hE沖0性/号区灰.•
巷道影响区
1•是指巷道周闱岩体中由于掘进巷道而使应力比原岩应力发生明显变化（人于5%）的地区。
2•该区的范围与矿山岩石的性质、开采深度、巷道的形状和尺寸等有关，一般影响范闱的直径为巷道最人线性尺寸的2〜4倍。
不同类型覆岩开采后的破坏情况
错误!
未找到引用源。
1一冒落带;2—裂隙带
a_覆岩为软岩层；b_覆岩为中硬岩层;。
_覆岩为坚硬岩层
开采后上覆岩层分区与分带
A—煤壁支挣影晌Ma—b）;B—离煨区@c＞；C—朿新压实区心0;
I—H落帶;U—裂PW带；m—殍曲卜沉帯;a—支推影响用
工作面周围应力集中
MPa
n2OO
■IOO
50
开采形成的支承压力
L_
E
ItWK
J
tOP«w
TMZl7MO
T
卞曲EX
*1
I-1
老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布
A—应力增高区;B—应力降低区;C—应力不变区
煤巷上方应力升高
1•围岩松软破碎：
2•受采动强烈影响，地应力人；3•巷道剧烈变形;
煤柱底板应力分布
可GwE•b、
~~戸P-
图1-10%和f“的等值线
英国煤柱应力测量结果
ffl3-13爆柱及JWWi位*与工作面的关杀
reru電6蛙■丛M恢力分亦对时锐的嚏化
煤柱应力
1^53-15举燃柱.飯力分祁示惫图
圆形巷道受均布载荷围岩应力
垮、•、按綜乜rv坦w口一
则不恫Fm吃主芒科卫方分布
圆形巷道受不等载荷围岩应力
形巷道围岩应力分布（叉=0.25）
椭圆巷道周边应力
图2-5椭圆形巷道计算简图图2M椭圆形巷道表面切向应力
矩形巷道周边应力
图2-8IE方形巷道周边切向应力Q布
圆形巷道塑性区分布
原岩应力区、
图2-11计算简图
层状围岩巷道塑性区分布
（1）
（3）
I.*o-oo■o.a二闸心d.w・6nJ
（4）
（b）
层状围岩巷道围岩区分布规律
（a）—实体煤巷道；（b）—煤柱巷道；（c）一沿空巷道；（d）-无直接顶、底的煤柱巷道。
分布状态：
（a）-“*”型；（b）、（c）一半型：
（d）—缺上（或下）的半“*”型。
与圆形巷道.基本巷道分布状态不同，是研究动压、软岩巷道矿压的基础。
塑性圈
•在集中应力作用下，当巷道闱岩所受应力超过其屈服强度时，就会产生塑性变形，在巷道周围形成一个塑性变形区，其边界称为塑性圈。
•圈内岩体的基本特征是裂隙增多。
由于塑性圈内岩石逐渐松弛，而丧失部分承载能力,使原来巷道周边附近岩石承受的一部分应力转移给邻近的一定深度的岩体，因而塑性圈也随之逐步扩展到岩体内的一定深度。
松动圈
•巷道周闱岩体发生破裂和松动的区域，通常称为松动圈。
•其范围一般为0.5〜1.5m,它与岩体性质及抗压强度等有关。
松脱压力
•由于地质弱面的切割、采动引起的离层或岩块冒落等原因所造成的松散岩体作用于支护结构物上的压力，称散体地压或松脱压力。
当支护结构不能有效地限制闱岩变形的发展,而在周围岩体内形成松动圈时，往往导致松动围岩压力的出现。
•松脱压力可采用松散介质极限平衡理论或块体极限平衡理论进行分析和估算。
变形压力
•是指由于围岩产生指向巷道（0同室）的位移时挤压支护体而造成的压力。
•它在围岩与支护体相互作用过程中施加于支护体上。
在''围岩■支架”力学体系中，只要围岩变形而支护体又限制其变形，围岩就对支护体施加变形压力。
•变形压力和支护体的刚度有关。
在一定的条件卞，支护体刚度越人，变形压力也越人。
I制岩变形不仅包扌舌弹性变形，塑性变形，而且还包括与时间有关的流变变形。
对于松软岩体尤为明显，其值远比弹、塑性变形犬，而且随时间而不断增加，因而支护体所受到的变形压力也不断增加。
膨胀压力
•是指由于围岩吸水发生膨胀而对支护体产生的压力。
•这种压力实质上是变形压力的一种，只是它因含有大量蒙脱石等膨胀性矿物的粘土岩所特有的一种围岩压力。
冲击压力
•又称矿山冲击、冲击地压、岩爆等，是矿压显现的动力现象之一。
它是在集中应力作用下，煤、岩体内积聚的弹性曲变能在一定条件卞突然释放，使煤、岩体发生急剧脆性破坏或大块煤体突然向已采空间抛射的现彖。
巷道影响区
1.是指巷道周围岩体中由于掘进巷道而使应力比原岩应力发生明显变化（人于5%）的地区。
2.该区的范围与矿山岩石的性质、开采深度、巷道的形状和尺寸等有关，一般影响范闱的直径为巷道最大线性尺寸的2〜4倍。
巷道围岩稳定性错误!
未找到引用源。
1•是指各种地下工程在施工和使用中，巷道（或碉室）周围岩体稳定程度。
2.它与岩体性质、地质构造、地应力、回采动压、地下水、巷道跨度与形状及施工方法等许多因素有关。
巷道怜I岩变形是其稳定性的反映，是各种影响因素综合影响的结果。
支护对象：
破裂煤岩体。
顶板岩石松软、破碎,节理、层理发育；两帮煤体魁松软乂性脆：
II汀；锚州性能差：
工程条件变化频繁，不确定性强，同一条巷道，类别相差1〜2个级别：
丫应力数倍的强烈采动高应力作用
|人］■绝炖变形量达到5OO〜15OOmm以上，一般为岩巷的儿倍到儿十倍
巷道工程量人，服务时间短
k—r十~
3.巷道矿山压力显现的基本规律
•巷道掘进阶段（I）
掘进巷道仅对小范闱岩体造成扰动，故一般情况下矿压显现不会很剧烈.
•无采掘影响阶段（II）
顶底板移近速度比掘进期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。
•采动影响阶段（III）
采动影响是由于回釆工作引起闱岩应力再次重新分布而造成的。
这阶段中矿压显现也最强烈。
•二次采动影响阶段（V）
二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，但由于这种情况下巷道受到下区段工作面超前支承压力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用，二次采动影响的剧烈程度和影响范I韦I都会比一次采动影响稍人。
•采动影响稳定阶段（IV）
这是巷道I制岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定的阶段，故其闱岩移动特征基本上与无采掘影响阶段类似。
围岩不均匀的整体下沉和局部上升
人面积开采、动压和不同护巷方式引起高应力区下沉、应力降低区上升。
图1相似材料模拟试验结果
ul、u2、u3、u4、u5——下沉曲线DI、D2、D3——破断曲线
巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升
-―丿丿…11\\\\、、……
巷道两帮下沉引起底鼓
两帮下沉、底角破坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板卞沉、离层。
（1）Q（y）作用下M点的位移
根据弹性力学理论，平面应变条件下的半无限平面体，Q（v）dy载荷作用下M点的垂直位
移分量dux
QW
图5力学计算简图
g（y）dy[（l-//）lii（x2+y2）+（1-2jii）xaictaii—]+/y
Q（y）作用下,M水矽—Jt位芳于或
（1）在［a,b］区阎上於积你=fd你
x（l+“）^£（x2+y2）
Q（y）[（l-ju）y]n（x2+）,2）+（1-2ju）xarctan—]dy
y
『x（l+“）LtvE（x2+y2）
s
Q（y）[（l_〃）yh】（s2+y2）+（1_2〃）Saictan—]dy
y
⑵
煤柱巷道底板等效载荷分布
简化的载荷分布
底板中心线上的垂直位移
巷道底板中心线上总的垂直位移
各区段分布载荷在巷道底板中心线上引起的垂直位移巷道支护主要原则
1■围岩位移曲线;2■支架工作特性曲线;3■围岩松动破坏后的位移曲线;A、E、C■支架可能的工作点：
Pmax、Pinin支架承受的最人承载力和最小承载力；Aumax允许围岩最人位移量
合理利用巷道围岩的自承力
•为了利用闱岩的自承力，就要容许围岩产生某些变形。
这种变形会使围岩中的能量得到
一定释放，从而起到一定的“卸载作用”，这将有利于减轻支架受载。
但应当注意的是,
这种变形应是有限制的。
合理选择支架工作点
•合理利用闱岩自承力的途径是使支架与I制岩在相互约束的状态下共同承载，即在不导致I制岩松动破坏的前提下，既充分利用围岩的自承力，又使支架提供的支护阻力最小。
为此，应确定某一条件卞，巷道支架的合理工作点。
E点是支架的最佳工作点。
为有一定安全储备，设计时，应使支架工作点保持离E点不远。
提高围岩自承能力
•利用物理法和化学法加固围岩是提高其自承能力的有效措施。
前者一般是将不同结构类型的锚杆打入煤或岩体内部，加固围岩；后者是将粘结剂注入煤或岩体内部，通过充填和固结煤或岩体中的裂隙和各种弱面，使之成为一个整体，达到增强围岩自承能力的目的。
选择合理的支护方式与参数
•巷道的支护方式与参数应符合支架与闱岩共同承载的原理。
要根据具体条件，在刚性支架、可缩性支架、锚杆支护中进行合理的选择。
刚性支架，一般只适用于顶底板移近率<10%的条件。
采区巷道中大多数情况下要用可缩性支架或锚杆支护。
4、改善巷道支护面貌的基本途径
（1）合理布置巷道
（2）提高围岩强度（3）减小岩体应力（4）巷道支护
（1）巷道布置的原则
1）空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。
2）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。
3）釆用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可能小。
4）如果需要留煤桂保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受支承压力影响或影响较小。
5）避免在煤柱上、下方布置巷道。
合理选择底板岩巷与煤柱边缘的水平距离X、与煤层垂
直距离乙
6）在闱岩受采动影响稳定后再掘巷道。
7）巷道轴线方向尽量与最人水平主应力方向平行，避免与之垂直。
煤层底板支承应力分布
已采区及其两侧煤柱的应力分布
I一一冒落带；II—裂隙带；III—弯曲下沉带；
A—原始应力区；Bl、E2—应力增高区、C—应力降低区：
D—应力稳定区
巷道布置在低压区
"fl
煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布
Y—上覆岩层容重；H—埋藏深度：
e—底板岩石应力升高区的扩展影响角；Z—被跨巷道与上部回采煤层间的法线距；X-被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距
（2）提高围岩强度
•布置在稳定岩层中；
•布置锚杆，强化围岩强度；
•I制岩注浆，提高岩体强度；
•封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降低
注浆加固围岩
注浆材料
（1）材料类别
化学类：
丙烯酰胺类、聚氨脂类水泥类：
单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆：
ZKD高水速凝材料（双液或单液）
（3）减小岩体应力
1•合理布置巷道：
2.时间、空间上减少巷道承受支承压力影响，巷道布置在应力降低区；
3.合理设计煤柱尺寸；4.巷道卸压：
跨采进行巷道卸压；5.开槽卸压；震动爆破卸压；
6.布置卸压嗝室卸压
进行应力转移
1.巷内开槽孔2.松动爆破3.巷道一侧或两侧布置巷道
4.巷道顶板掘巷的应力转移原理与关键技术5.巷道底板掘巷的应力转移原理与关键技术
6.煤层上行开采的应力转移原理与关键技术7.巷道迎头超前钻孔应力转移原理与关键技术
巷道一侧或两侧布置卸压巷爾
巷道一侧有卸压巷道时的应力分布
松动理知M
底板开巷松动爆破卸压图
锚杆；松动爆破炮眼
巷道顶部布置卸压巷嗣
有无顶部卸压巷时的巷道围岩应力分布
巷道迎头钻孔实现应力转移思考题
•1、简述煤层巷道的闱岩特点和受力特点；
•2、简述巷道围岩压力类型及特点；
•3、简述巷道支护的基本原则；
•4、简述巷道支架的种类及适用条件。
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