深井巷道围岩控制

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1、深井巷道围岩控制1深 井 巷 道 围 岩 控 制1 背景和意义2 “深井”的概念3 深井巷道的岩性与矿压显现4 巷道围岩控制的基本途径5 锚杆、锚索支护系统6 围岩注浆加固7 巷道围岩的应力转移技术8 深井巷道二次支护思路和原则9 控制技术汇总主 要 内 容11. 背景和意义3深 井 巷 道 围 岩 控 制2 低强度软岩2 膨胀性软岩2 高应力软岩2 节理化软岩2 复合型软岩软岩的分类可见，判断是否是软岩应从应力和岩性两方面 考虑。当岩性软弱时，应力不大围岩同样会破坏。1. 背景和意义1深 井 巷 道 围 岩 控 制我国国有大中型煤矿开采深度每年约以9 m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区

2、相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩石抗压强度时，有关岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化，造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安全生产。深井软岩成为重点1. 背景和意义1深 井 巷 道 围 岩 控 制深部开采的主要严重问题2 1）井巷维护困难、维护费用高，影响生产；2 2）采场顶板破碎，冒顶事故的危害增大；2 3）凿井困难增加，提升等井筒设备不能适应深井的需要；2 4）冲击矿压、煤与瓦斯突出危险加大；2 5）地温升高，恶化生产环境，影响生产；2 6）瓦斯涌出量增加，瓦斯爆炸危险加大；2

3、 7）矿井水压力和涌出量增加，突水事故的危险性加大。1. 背景和意义1深 井 巷 道 围 岩 控 制世界主要采矿国家对矿井深部开采的这些技术难题从理论上及实用技术上进行了许多研究，取得了可喜成果，但一些主要难题未能从根本上解决。英国、德国这些采矿技术水平较高的国家也未能解决深部开采的若干技术难题，采矿成本随采深加大而不断增加，最终导致关闭大批矿井，生产中急需的煤炭不得不依靠进口。国外的研究状况1. 背景和意义1深 井 巷 道 围 岩 控 制我国是世界产煤大国，也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。我国人口

4、众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。国内的情况1. 背景和意义12.“深井”的概念9深 井 巷 道 围 岩 控 制深井概念：由矿井深度和岩性两个因素决定。 矿井由浅部过渡到深部的深部界限称为“极限深度”。围岩单轴抗压强度 / MPa巷道极限深度 / m60 1000极限深度以上支护简单、易维护；以下则明显困难。表1 巷道极限深度表2.“深井”的概念13. 岩性与矿压显现11深 井 巷 道 围 岩 控

5、制垂直应力(Brown & Hoek, 1978)开 采 深 度岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。3.1 地应力特征1深 井 巷 道 围 岩 控 制水平应力水平应力与垂直应力之比(Brown & Hoek, 1978)开 采 深 度埋深1000m，水平 应力与垂直应力的比 值大约为1.5-5.0埋深1000m，水平 应力与垂直应力的比 值逐渐趋于集中，约 为0.5-2.03.1 地应力特征1深 井 巷 道 围 岩 控 制开 采 深 度平均水平应力与垂直应力之比我国地应力我国地应力 测量结果测量结果3.1 地应力特征1深 井 巷 道 围 岩 控 制主应力数值/MPa与东西方向夹 角/

6、 与垂直方向夹 角/ 与南北方向夹 角/ 138.1326.5114.2100.1228.3563.928.579.331.6185.5104.114.8孙村矿地应力测试结果3.1 地应力特征1深 井 巷 道 围 岩 控 制测试地点水平标高主应力/MPa P1/P2/P3主应力方向（夹角）/ xyz3213面46016.55108198513.653071112.5-1.926787.5231215W（ 石门）46316.074745101.511.7742.8132823.5187.77613.7协庄矿地应力测试结果3.1 地应力特征1深 井 巷 道 围 岩 控 制3.2 岩性特征高应力下围

7、岩破碎严重蠕变严重岩石峰后状态和性质、长时强度发生变化1深 井 巷 道 围 岩 控 制3.3 矿压显现特征（1）塑性区、破碎区范围显著增加；（2) 两帮和顶、底角破碎区显著增大，围岩变形显著增加；原因：水平应力增加，两帮煤软，角部应力集中。（3）底鼓严重；（4) 控制两帮变形和底鼓是关键。 1深 井 巷 道 围 岩 控 制 3.4 深井巷道底鼓机理图3-1 相似材料模拟试验结果 u1、u2、u3、u4、u5下沉曲线 D1、D2、D3破断曲线（1）围岩不均匀的整体下沉和局部上升： 大面积开采、动 压和不同护巷方式引起高应力区下沉、应力降低区上升。1深 井 巷 道 围 岩 控 制（2） 巷道两帮下

8、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，顶板下沉、离层 。（a） （b） 图3-2 两帮下沉与底鼓关系 （a）东庞矿（中硬岩）；（b）黄塘岭矿（软岩）3.4 深井巷道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制（3）权台矿3108区段回风平巷实测距地表深度475 m，U29支护两帮移近量1426 mm，顶底板移近量2556 mm（其中：顶沉445 mm，底鼓2111 mm）浅部鼓起，深部下沉；与采煤工作面距离不同而变化。3.4 深井巷道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制图3-4 巷道底板垂直位移 No垂直位移为零； N零应变点 图3-3 巷道底板深基点位移3.4 深井巷

9、道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制（4） 力学计算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(y)dy 载荷作用下M点的垂直位移分量dux图3-5 力学计算简图(3-1)3.4 深井巷道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制Q(y) 作用下，M点的垂直位移ux 等于式（1）在a,b区间上的积分。(3-2)3.4 深井巷道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制图3-6 煤柱巷道底板等效载荷分布 图3-7 简化的载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布3.4 深井巷道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制底板中心线上的垂直位移图3-8 各区段分布载荷在巷

10、道底板中心线上引起的垂直位移图3-9 巷道底板中心线上总的垂直位移3.4 深井巷道底鼓机理1深 井 巷 道 围 岩 控 制27273.4 深井巷道底鼓机理14. 围岩控制的基本途径28深 井 巷 道 围 岩 控 制不稳定（强烈底鼓）：中等稳定（有底鼓）：稳定的（不底鼓）：（1）前苏联阿尔达晓夫、巴仁根据巷道垂直应力H 与底板单轴抗压强度R的比值作为判断巷道是否底鼓的准则：4.1 影响巷道围岩稳定性的因素 围岩强度、岩体应力、支护技术 这也是巷道围岩控制的三个基本途径。1深 井 巷 道 围 岩 控 制（2）支护技术从轴对称圆巷的弹塑性分析卡斯特纳方程中可以看出：由于支护反力P 的作用，加大了塑性

11、区应力而减小了塑性区半径。 4.1 影响巷道围岩稳定性的因素 1深 井 巷 道 围 岩 控 制 4.2 基本途径（1）提高围岩强度巷道布置在稳定岩层中；布置锚杆，强化围岩强度；围岩注浆，提高岩体强度；封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降低。（2）减小岩体应力2 合理布置巷道时间、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；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响。2 巷道围岩应力转移跨采卸压；开槽卸压；松动爆破卸压；卸压峒室卸压。1深 井 巷 道 围 岩 控 制（3）巷道支护2 巷道金属支架作用：给围岩提供支护阻力；使用高强度可缩金属支架，控制和适应围岩变形。2 锚杆支护作用：强

12、化围岩强度；围岩强度强化理论、高强（超高）强度锚杆、动态系统设计方法、高应力下的锚杆支护技术。 4.2 基本途径1深 井 巷 道 围 岩 控 制4.3 加固帮、角控制底鼓 国内外传统控制底鼓的方法一般都是围绕底板进行的。 作用是：增加底板变形阻力、提高底板围岩强度、降低底板浅部应力。 方法是：底板锚杆、增加底梁（底拱）、底板开槽卸压、底板注浆等。 加固帮、角控制底鼓是一种新方法。 1深 井 巷 道 围 岩 控 制（1） 试验一：锚杆加固（柳新煤矿）表 4-1 支 护 方 式 4.3 加固帮、角控制底鼓1深 井 巷 道 围 岩 控 制试验 编号巷道表面移近量 mm、项试验与对比顶底板两 帮移近量

13、减少值 mm移近量减少百分 数%顶底板两 帮顶底板两 帮37426458631461.054.32759068548871.484.4960578 表4-2 试验效果对比 4.3 加固帮、角控制底鼓（1） 试验一：锚杆加固（柳新煤矿）1深 井 巷 道 围 岩 控 制（2）试验二：注浆加固（权台矿注浆孔布置）注浆孔布置注浆材料、工艺、费用材料：ZKD高水速凝材料，水灰比1.8 1注浆压力：0.1 0.15 MPa4.3 加固帮、角控制底鼓1深 井 巷 道 围 岩 控 制对比项目岩石质量指标RQD（%）钻孔测定强度（MPa ）注浆前9.114.7注浆后96.722.5表4-3 权台矿（深度680

14、m）注浆效果（2）试验二：注浆加固（权台矿注浆孔布置）4.3 加固帮、角控制底鼓15. 锚杆、锚索支护系统38深 井 巷 道 围 岩 控 制5.1.1 背景（1）传统的悬吊、组合梁、组合拱理论及计算是针对弹性状态的完整岩体； （2）研究锚杆支护对围岩E、C、 的改善也限于岩体破碎前的弹性状态； （3）煤巷围岩松软破碎，采动应力高；围岩塑性区、破碎区范围大，此时，岩体处于峰后强度、残余强度状态； （4）处于峰后强度和残余强度的破碎岩体，锚杆支护能否起作用？作用机理是什么？5.1 围岩强度强化理论1深 井 巷 道 围 岩 控 制5.1.2 锚杆支护强度强化机理 锚固体C、C*、* 随锚杆支护强度t

15、的增加而提高表5-1 不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、 值 锚杆支护强度 t / MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力 C / MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.386 9等效内摩擦角 / 31.5131.5333.5135.5737.1438.840.45.1 围岩强度强化理论1深 井 巷 道 围 岩 控 制表表7 7 不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*C*、 * * 值值 锚杆支护强度 t / MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力 C* / MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940.021等效内摩擦角 */ 31.5131.5333.5135.5737.1438.840.45.1.2 锚杆支护强度强化机理 5.1 围岩强度强化理论1深 井 巷 道 围 岩 控 制锚固体应力应变曲线图 注：曲线上数字为锚杆支护 强度t （MPa） 5.1.3 锚固体强度的强化锚固体强度随锚杆支护强度t 的提高而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。5.