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1、巷道围岩控制与监测v原岩应力及巷道周围应力分布v开采对巷道围岩应力的影响v巷道顶板事故的影响因素（棚式及锚杆支护的事故分析）v棚式及锚杆支护质量监测第六章 巷道支护设计第一节第一节 巷道围岩控制原理巷道围岩控制原理一、巷道围岩控制原理v巷道围岩控制是指控制巷道围岩的巷道围岩控制是指控制巷道围岩的矿山压力和和周边位移所采取措施的总和。所采取措施的总和。v基本原理是：根据巷道围岩应力、围岩强度以及它们是：根据巷道围岩应力、围岩强度以及它们之间相互关系，选择合适的巷道布置和保护及支护方之间相互关系，选择合适的巷道布置和保护及支护方式。降低围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条式。降低围岩应力，增加围
2、岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，有效地控制围岩的变形、破坏。件和赋存环境，有效地控制围岩的变形、破坏。v需要需要强调指出，受到采动影响的巷道，巷道围岩岩体指出，受到采动影响的巷道，巷道围岩岩体结构、赋存条件在很大程度上受到回采工作的制约。结构、赋存条件在很大程度上受到回采工作的制约。二、巷道围岩控制方法v巷道围岩控制方法归结为巷道巷道围岩控制方法归结为巷道布置和巷道和巷道保护及支护两方面。两方面。1、布置巷道应重视的问题v 在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在煤层开采后所形成的应力降低区域内。在煤层开采后所形成的应力降低
3、区域内。v 如果不能避开采动支撑压力的影响，应尽量避免支撑压力叠如果不能避开采动支撑压力的影响，应尽量避免支撑压力叠加的强烈作用，或者尽量缩短支撑压力影响时间，例如，跨越加的强烈作用，或者尽量缩短支撑压力影响时间，例如，跨越巷道开采，避免在遗留煤柱下方布置巷道等。巷道开采，避免在遗留煤柱下方布置巷道等。v 在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的岩层或煤层布置在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的岩层或煤层布置巷道，尽量避免水与松软膨胀岩层直接接触。巷道，尽量避免水与松软膨胀岩层直接接触。v 巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂直断层构造带或巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂直断层构造带或
4、向、背斜构造。向、背斜构造。v 相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度。相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度。v 巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，避免与构造应巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，避免与构造应力方向垂直。力方向垂直。 2、巷道的保护及支护措施v 通过在巷道围岩中钻孔卸压、切槽卸压、宽面掘巷卸压以及通过在巷道围岩中钻孔卸压、切槽卸压、宽面掘巷卸压以及在巷旁留专门的卸压空间等方法，使巷道围岩受到某种形式的在巷旁留专门的卸压空间等方法，使巷道围岩受到某种形式的不同程度的不同程度的卸载，将本该作用于巷道周围的集中载荷，转移到，将本该作用于巷道周围的集中载荷，转移到离巷道较远的新
5、的支撑区，达到降低围岩应力的目的。离巷道较远的新的支撑区，达到降低围岩应力的目的。v 采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷道周边喷浆、采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷道周边喷浆、支架壁后充填、围岩疏干封闭等方法，支架壁后充填、围岩疏干封闭等方法，增高围岩强度，优化围，优化围岩受力条件和赋存环境。岩受力条件和赋存环境。v 架设支架对围岩施加径向力，既支撑松动塌落岩石，又能架设支架对围岩施加径向力，既支撑松动塌落岩石，又能加大巷道的围压，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制塑性变形区和破裂区的发展。根据巷道不同时期的矿压显现规塑性变形区和破
6、裂区的发展。根据巷道不同时期的矿压显现规律，巷道支护可以分为巷内基本支架支护、巷内加强支架支护、律，巷道支护可以分为巷内基本支架支护、巷内加强支架支护、巷旁支护、联合支护四种形式。巷旁支护、联合支护四种形式。第二节第二节 无煤柱护巷无煤柱护巷v传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段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撑压力峰值区。固定支撑压力峰值区。v区段平巷区段平巷双巷掘进和使用，技术管理简单，对通风、和使用，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利。运输、排水、安全都有利
7、。v但是，但是，煤柱损失高达高达1030；回风巷；回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。影响，巷道维护困难，支护费用高。v煤柱支承压力煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤柱宽一般为柱宽一般为1030 m。一、沿空掘巷v煤体和围岩的煤体和围岩的强度对支承压力分布曲线有很大影响。对支承压力分布曲线有很大影响。2、沿空掘巷的矿压显现v移动距离近似移动距离近似等于巷道宽度，应力场扰动不大，一般巷道宽度，应力场扰动不大，一般经过经过10 d左右，变形速度趋向稳定。左右，
8、变形速度趋向稳定。巷道受到本区段工作巷道受到本区段工作面回采影响后，处于面回采影响后，处于支承压力的支承压力的重叠区内，内，围岩变形会显著增长，围岩变形会显著增长，通常巷道维护不太困通常巷道维护不太困难。难。v窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留巷道是指巷道与采空区之间保留58 m宽的煤宽的煤柱。柱。v窄煤柱巷道掘进位置一般刚好处于窄煤柱巷道掘进位置一般刚好处于残余的支承压力峰的支承压力峰值下。值下。v在上一工作面区段运输平巷被废弃之后，经过一段在上一工作面区段运输平巷被废弃之后，经过一段时间，等待采空区上覆岩层时间，等待采空区上覆岩层移动基本基本稳定后，沿被后，沿被废弃的巷道边缘，掘进下一个工
9、作面的区段回风平废弃的巷道边缘，掘进下一个工作面的区段回风平巷，称为巷，称为沿空掘巷。v沿空掘巷可分为三种方式：可分为三种方式：完全沿空掘巷：留小煤柱掘巷：留设：留设13 m的隔离小煤墙。的隔离小煤墙。保留部分老巷断面掘巷方式：留一条巷掘一条巷，：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。际可用大断面的沿空掘巷或留巷取代。图有错误图有错误二、沿空留巷二、沿空留巷1、沿空留巷的矿压显现v沿空留巷是在上区段工作面采过后，通过加强支护或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他有效方法，将采用其
10、他有效方法，将上区段工作面运输平巷保留下工作面运输平巷保留下来，供来，供下区段工作面回采时作为回风平巷。工作面回采时作为回风平巷。v沿空巷道位于采空区边缘，沿空巷道位于采空区边缘，保留巷道期间经历上区段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。采空区上覆岩层沉降总规律的制约。v上区段工作面上区段工作面采过后，沿空巷道经历老顶岩层从即将，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。压实采空区的过程。v在这个过程中，
11、由于在这个过程中，由于老顶的剧烈活动，引起沿空巷道，引起沿空巷道煤帮和巷道支护体发生剧烈变形。受力状况与用煤柱煤帮和巷道支护体发生剧烈变形。受力状况与用煤柱维护的巷道有明显的差别。维护的巷道有明显的差别。2、沿空留巷巷旁支护形式（1）巷旁支护的作用v巷旁支护是指巷道断面范围以外，与巷旁支护是指巷道断面范围以外，与采空区交界处架设的一些架设的一些特殊类型的支架或人工构筑物。特殊类型的支架或人工构筑物。v主要作用有：控制直接顶的有：控制直接顶的离层和及时和及时切断直接顶板。直接顶板。减少巷巷内支护所承受的内支护所承受的载荷，保持巷道围岩稳定。同时及时，保持巷道围岩稳定。同时及时封闭采空采空区，防止
12、漏风和煤炭自然发火，避免采空区内有害气体逸出。区，防止漏风和煤炭自然发火，避免采空区内有害气体逸出。v为此支架必须具备合理的为此支架必须具备合理的架型、较高的、较高的工作阻力、较大的、较大的增阻速度、足够的、足够的可缩量，以及工作阻力、增阻速度和可缩量的合，以及工作阻力、增阻速度和可缩量的合理理匹配。 （2）巷旁支护的类型和适用条件v传统的巷旁支护主要有：木垛支护、密集支柱支护、矸石带支的巷旁支护主要有：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。（护、混凝土砌块支护等方式。（缺点多）v整体浇注巷旁充填技术在煤层顶、底板之间浇注充填材料，形技术在煤层顶、底板之间浇注充填材料，形成
13、密实的整体。把沿空留巷需要的封闭采空区和有效支护结合成密实的整体。把沿空留巷需要的封闭采空区和有效支护结合起来，充分显示出技术经济上的优越性。起来，充分显示出技术经济上的优越性。v通过现场实测和理论研究提出，通过现场实测和理论研究提出，不同的顶板围顶板围岩条件下应选择的巷旁支护方式。岩条件下应选择的巷旁支护方式。切顶型巷旁支护方式变形适应型巷旁支护方式v随着巷道锚杆随着巷道锚杆(索索)联合支护技术的发展，沿空联合支护技术的发展，沿空留巷的应用范围逐渐扩大，目前正在开展留巷的应用范围逐渐扩大，目前正在开展综放沿空留巷高水材料巷旁充填、巷旁充填、锚杆(索)巷内支巷内支护技术研究。护技术研究。 （3
14、）整体浇注巷旁充填技术v整体浇注巷旁充填技术是我国近年研究和应用的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。的巷旁充填技术。v它具有增阻速度它具有增阻速度快、支撑能力、支撑能力大、密封性能、密封性能好和机械和机械化程度化程度高等优点，使发展沿空留巷技术的关键问题得等优点，使发展沿空留巷技术的关键问题得到解决。到解决。v高水净浆充填材料双路水力充填工艺系统均用泵输送，材料双路水力充填工艺系统均用泵输送，高水材料输送水平距离高水材料输送水平距离1000 m，充填点用塑料充填，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。袋储集混合后的料浆，料浆凝固形成整体充填体。
15、v对于对于高水灰渣材料，可以采用活动钢模板替代塑料充材料，可以采用活动钢模板替代塑料充填袋，活动钢模板反复交替使用。采用喷浆机风力充填袋，活动钢模板反复交替使用。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离不宜超过200 m。第三节第三节 巷道卸压巷道卸压v在某些困难条件下，即使对巷道进行在某些困难条件下，即使对巷道进行加强支支护和加固围岩，巷道维护护和加固围岩，巷道维护仍然很困难。很困难。v如果采用人为方法改变巷道围岩应力分布特如果采用人为方法改变巷道围岩应力分布特征，巷道掘进或受到采动影响时在巷道周边征，巷道掘进或
16、受到采动影响时在巷道周边形成的应力峰值向远离巷道周边的围岩深部形成的应力峰值向远离巷道周边的围岩深部转移，使巷道处于，使巷道处于应力降低区内，可以收到内，可以收到明显改善巷道维护状况的效果。明显改善巷道维护状况的效果。一、跨巷回采进行巷道卸压1、跨巷回采卸压的机理v煤层开采以后，在煤层底板中形成一定范围的应力增煤层开采以后，在煤层底板中形成一定范围的应力增高区和应力高区和应力降低区。v位于煤层底板的巷道，若处于应力增高区，将承受较位于煤层底板的巷道，若处于应力增高区，将承受较大的集中应力而遭到破坏；大的集中应力而遭到破坏；处于应力降低区，则应力降低区，则易于于维护。维护。v在巷道上方的煤层工作
17、面进行跨采，使巷道经历一段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时间的高应力作用后，长期处于，长期处于应力降低区内。内。v跨采的跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置，即法向距离，水平距离。即法向距离，水平距离。v跨巷回采有两种跨巷回采有两种方式：纵跨与横跨（平行与垂直）。：纵跨与横跨（平行与垂直）。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v巷道周边围岩开槽卸压的巷道周边围岩开槽卸压的力学原理，是使原来作用于周边围岩，是使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移。的高应力向卸压区以外的岩体深
18、部转移。v深部岩体处于岩体处于三向应力状态，具有较高的强度。在应力增高区状态，具有较高的强度。在应力增高区内岩体形成自承载结构，承受掘巷引起的集中应力。内岩体形成自承载结构，承受掘巷引起的集中应力。v同时，在它的同时，在它的支撑和和保护下，又使下，又使卸压区内的岩体得以保持稳内的岩体得以保持稳定。定。v另一方面，结构和完整性并未遭到完全破坏的卸压区内的围岩，另一方面，结构和完整性并未遭到完全破坏的卸压区内的围岩，仍然存在一定的仍然存在一定的残余强度，并向岩体自承结构提供，并向岩体自承结构提供侧向约束力，增加岩体自承结构的强度和稳定性，从而使围岩的整体稳定性增加岩体自承结构的强度和稳定性，从而使
19、围岩的整体稳定性得到显著提高。得到显著提高。2、巷道围岩开槽(孔)卸压法的应用v由于目前由于目前尚无合适的开槽机具，常用成排的合适的开槽机具，常用成排的大直径钻孔替代。替代。v钻孔卸压的钻孔卸压的机理与开槽卸压基本相同，钻孔卸压的效果主要取与开槽卸压基本相同，钻孔卸压的效果主要取决于孔径、孔距、孔深等参数。决于孔径、孔距、孔深等参数。v一般情况下，钻孔直径一般情况下，钻孔直径150350 mm，钻孔间距为钻孔直径，钻孔间距为钻孔直径的的1.51.7倍，孔深倍，孔深610 m。卸压滞后距离一般不宜超过。卸压滞后距离一般不宜超过510 m；或者超前采面，削弱采面超前支承压力的影响。；或者超前采面，
20、削弱采面超前支承压力的影响。作用：支承压力峰值向巷支承压力峰值向巷道围岩深部转移；道围岩深部转移；为巷道围岩变形提为巷道围岩变形提供了补偿空间。供了补偿空间。通常采用垂直切通常采用垂直切槽防治底鼓。槽防治底鼓。3、巷道围岩松动爆破卸压法的应用v利用钻孔利用钻孔孔底药壶爆破方法进行限制性爆破，在围岩爆破方法进行限制性爆破，在围岩体中形成一个连续的体中形成一个连续的松散、破碎带，将支承压力峰值，将支承压力峰值转移到围岩深部。同时，已经松散、破碎的围岩体具转移到围岩深部。同时，已经松散、破碎的围岩体具有有缓冲垫层作用。作用。v确定松动爆破技术参数应以确定松动爆破技术参数应以不破坏巷道与松散、破碎巷道
21、与松散、破碎带之间的围岩完整性和支架的稳定性为带之间的围岩完整性和支架的稳定性为原则。三、利用卸压巷硐进行巷道卸压v卸压巷硐卸压方法的卸压巷硐卸压方法的实质：在被保护的巷道：在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘掘专门用于卸压的巷道或硐室。用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤附近煤层开采的层开采的采动影响，促使采动引起的应力分，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掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。内。 1、在巷道一侧布置卸压巷硐 2、在巷道顶部布置卸压巷硐v主要参数
22、：卸压巷硐的宽度及其与被保护巷道的垂距。：卸压巷硐的宽度及其与被保护巷道的垂距。v垂距应不小于卸压巷硐底板破坏深度与至少应不小于卸压巷硐底板破坏深度与至少2 m的安全岩柱之的安全岩柱之和。依据和。依据垂距和支承压力和支承压力传递影响角，卸压巷硐的宽度应确保，卸压巷硐的宽度应确保被保护巷道在其形成的应力降低区内。被保护巷道在其形成的应力降低区内。3、在巷道底部布置卸压巷硐v在被保护硐室底板两侧开掘巷道，在被保护硐室底板两侧开掘巷道，松动爆破在硐室底板中形成一在硐室底板中形成一个适当范围的松动破碎区域，从而有效降低硐室围岩中采动应力个适当范围的松动破碎区域，从而有效降低硐室围岩中采动应力的的集中程
23、度，大幅度减小煤层回采期间向硐室帮角传递应力的强，大幅度减小煤层回采期间向硐室帮角传递应力的强度，改变由采动引起的高应力向硐室传递途径，使被保护硐室处度，改变由采动引起的高应力向硐室传递途径，使被保护硐室处于应力降低区内。于应力降低区内。4、宽面掘巷卸压v宽面掘巷卸压通常用于宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把的巷道，巷道掘进时把巷道两侧巷道两侧68 m宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的底的矸石充填到巷道两侧采出的空间，在煤帮与矸石到巷道两侧采出的空间，在煤帮与矸石充填体、矸石充填体与巷道之间分别留有充填体、矸石充填体与巷道之间分别留有1m和和10.
24、5m宽的空隙。宽的空隙。四、掘前预采的应用参数：v巷道应与煤层底板保持巷道应与煤层底板保持一定的垂距，一定的垂距，v与上部工作面煤体边缘与上部工作面煤体边缘也应保持一定的水平距也应保持一定的水平距离。离。v掘前预采与跨越回采相掘前预采与跨越回采相比，改变了巷道的应力比，改变了巷道的应力基础环境，完全避免了基础环境，完全避免了开采影响。因此，开采影响。因此，掘前预采是效果是效果最理想的卸的卸压方法。压方法。第四节第四节 棚式支架支护设计棚式支架支护设计一、棚式支架支护原理v巷道开掘后，巷道空间上方岩层的重量由巷道支架与巷道周围巷道开掘后，巷道空间上方岩层的重量由巷道支架与巷道周围岩体共同承担，巷
25、道支架与围岩体组成一个共同的岩体共同承担，巷道支架与围岩体组成一个共同的承载体系。v现有的各种巷道现有的各种巷道支架，在，在“支架支架围岩围岩”力学平衡系统中，只力学平衡系统中，只能承担极其有限的能承担极其有限的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态。层的运动状态。v然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支的，支架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度
26、上能相当有效地抑制直接顶板直接顶板离层，控制围岩围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，的再发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定。保持围岩的稳定。v因此，巷道支架系统必须具有适当的因此，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的和一定的可缩性，才，才能有效地控制和适应围岩的变形。能有效地控制和适应围岩的变形。1、实行二次支护v一次支护允许围岩产生一定的变形，围岩变形和能量释放到一次支护允许围岩产生一定的变形，围岩变形和能量释放到一定程度后，进行二次支护。二次支护应在初次支护一定程度后，进行二次支护。二次支护应在初次支护尚未失失效，围岩移近速度已经效，围岩移近速度已经很小的适当时间进行。的适当时间进行。
27、2、采用柔性支护v金属可缩性支架不仅对围岩的变形产生一定阻力，本身还具金属可缩性支架不仅对围岩的变形产生一定阻力，本身还具有有可缩性，避免支架严重变形和损坏。支架在允许围岩有限，避免支架严重变形和损坏。支架在允许围岩有限变形继续释放能量同时，仍具有足够的工作阻力，既能适应变形继续释放能量同时，仍具有足够的工作阻力，既能适应又能控制围岩的又能控制围岩的变形，充分发挥支架的，充分发挥支架的支护效果。效果。3、强调主动支护v采用具有一定初始工作阻力的金属支架，采用具有一定初始工作阻力的金属支架，加大巷道围岩的巷道围岩的围压，提高巷道围岩的强度，减轻支架承受的载荷。进行巷道，提高巷道围岩的强度，减轻支
28、架承受的载荷。进行巷道支架壁后充填和喷射混凝土，改善支架受力状态和围岩赋存支架壁后充填和喷射混凝土，改善支架受力状态和围岩赋存环境，提高支架和围岩的承载能力。环境，提高支架和围岩的承载能力。四、棚式支架支护设计（一）巷道围岩稳定性分类设计方法 v地下工程是复杂的结构物。目前，设计地下工程结是复杂的结构物。目前，设计地下工程结构及支护方法的理论构及支护方法的理论尚未发展到能较精确地解决所发展到能较精确地解决所有问题的程度。有问题的程度。v巷道支护巷道支护设计仍采用仍采用工程类比法或法或半理论半经验的的方法。方法。v与一般的地下工程相比较，影响巷道围岩稳定的因与一般的地下工程相比较，影响巷道围岩稳
29、定的因素更为复杂，巷道支护设计不得不更多地依赖巷道素更为复杂，巷道支护设计不得不更多地依赖巷道围岩稳定性分类系统，为巷道支护设计、施工、管系统，为巷道支护设计、施工、管理提供科学依据。理提供科学依据。v依据预测的巷道围岩稳定性类别，依据预测的巷道围岩稳定性类别，推荐的煤层巷道的煤层巷道棚式支护形式与主要参数见表棚式支护形式与主要参数见表2-6-4。（三）围岩压力分析计算设计方法1、普氏法a1a1bx1、普氏法v计算跨度之半计算跨度之半式中：式中：f为普氏系数；为普氏系数； RC为折减后抗剪强度为折减后抗剪强度 为岩石容重；为岩石容重； H为巷道埋深。为巷道埋深。式中：式中：a 巷道宽度之半，巷
30、道宽度之半，m； h 巷高，巷高，m； 岩石内摩擦角。岩石内摩擦角。 按岩石抗压强度计算按岩石抗压强度计算 R30MPa，fR/60R/80 塌落拱高塌落拱高 ba1/f（m） 垂直岩压垂直岩压 Qa1b 侧壁岩压侧壁岩压 ph(b+h/2)tan2(45-/2)对粘土及破碎松散岩石对粘土及破碎松散岩石2、圆形断面弹性理论公式3、圆形断面弹塑性理论公式4、经验系数法（四）综合设计方法v各矿区根据具体情况，综合考虑上述方法制定本矿各矿区根据具体情况，综合考虑上述方法制定本矿区巷道棚式支架支护设计规范。区巷道棚式支架支护设计规范。第五节第五节 锚杆支护设计锚杆支护设计 一、锚杆种类和锚固力 v单体
31、锚杆主要由单体锚杆主要由锚头(锚固段锚固段)、杆体、锚尾(外锚头外锚头)、托盘等部件组成。等部件组成。 1、锚杆的分类 v按锚杆的锚固方式划分为：按锚杆的锚固方式划分为： v 机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆。缝式锚杆。v 粘结锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。水泥砂浆锚杆。v 摩擦锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状锚杆锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。等。 2、锚杆的锚固力 v锚固力定义为锚杆对围岩的约束力。定义为锚杆对围岩的约束力。 v锚固力有托锚力、粘锚力、
32、切向锚固力三种形式。锚固力有托锚力、粘锚力、切向锚固力三种形式。v根据锚杆的锚固作用阶段，锚固力可分为：根据锚杆的锚固作用阶段，锚固力可分为：v 初锚力：安设锚杆时，对锚杆进行拉张而使其具有：安设锚杆时，对锚杆进行拉张而使其具有的作用于围岩的力称为初锚力。的作用于围岩的力称为初锚力。v 工作锚固力：锚杆安设后，围岩变形，锚固剂发挥：锚杆安设后，围岩变形，锚固剂发挥粘结作用；或者杆体与围岩之间摩擦力制约围岩变形，粘结作用；或者杆体与围岩之间摩擦力制约围岩变形，此时锚杆对围岩的作用力为工作锚固力。此时锚杆对围岩的作用力为工作锚固力。v 残余锚固力：当围岩表面和深部的相对变形量超过：当围岩表面和深部
33、的相对变形量超过锚固剂的极限变形量以后，锚固剂破坏工作锚固力丧锚固剂的极限变形量以后，锚固剂破坏工作锚固力丧失。但由于已破坏的锚固剂仍具有残存粘结强度，钻失。但由于已破坏的锚固剂仍具有残存粘结强度，钻孔围岩、破坏的锚固剂、锚杆杆体之间存在摩擦力，孔围岩、破坏的锚固剂、锚杆杆体之间存在摩擦力，锚杆对围岩仍具有约束，称为残余锚固力。锚杆对围岩仍具有约束，称为残余锚固力。 全长锚固锚杆的粘锚力分布托锚能力与粘锚能力的匹配托锚能力与粘锚能力的匹配实测的锚杆工实测的锚杆工作阻力与粘锚作阻力与粘锚力的关系力的关系六、巷道锚杆支护设计1、工程类比法v工程类比法由工程类比法由直接类比法和类比法和间接类比法组成
34、。类比法组成。v直接工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实直接工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在地质和生产技术条件及各种践成功经验的基础上，在地质和生产技术条件及各种影响因素影响因素基本一致的情况下，根据的情况下，根据类似条件的已有经的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。v为了使迄今为止巷道锚杆支护设计中取得的为了使迄今为止巷道锚杆支护设计中取得的经验系统化、定量化，便于将不同工程的实践，便于将不同工程的实践抽象为地质力学为地质力学模型，实用而经济的方法是在围岩稳定性分类基础上模型，实用而经济的方法是在围岩稳定
35、性分类基础上的巷道锚杆支护设计，这是一种间接工程类比法。的巷道锚杆支护设计，这是一种间接工程类比法。v1988年原煤炭工业部颁布试用我国缓倾斜倾斜煤层年原煤炭工业部颁布试用我国缓倾斜倾斜煤层回采巷道围岩稳定性回采巷道围岩稳定性分类方案，对于锚杆支护更应，对于锚杆支护更应当注重巷道顶板岩层结构，在此基础上推荐的巷道顶当注重巷道顶板岩层结构，在此基础上推荐的巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数。板锚杆基本支护形式与主要参数。 2、理论计算法v按按悬吊理论锚杆长锚杆长L可由下式计算可由下式计算LLl+L2+L3式中式中 L1锚杆外露长度，一般取锚杆外露长度，一般取L10.15 m； L2锚杆有效长度，
36、锚杆有效长度，m； L3锚杆锚固长度，由拉拔试验确定，锚杆锚固长度，由拉拔试验确定，m。v用用普氏自然平衡拱理论确定松动破碎区的高理论确定松动破碎区的高度时，度时，L2应等于普氏免压拱的高度：应等于普氏免压拱的高度：当当f3时时 当当f2时时 式中式中 f普氏岩石坚固性系数；普氏岩石坚固性系数； h巷道掘进高度，巷道掘进高度，m； B 巷道掘进宽度，巷道掘进宽度，m； 岩体内摩擦角，（岩体内摩擦角，（）。）。v根据杆体承载力与锚固力等强度原则计算杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则计算杆体直径D(mm)： 根据每根锚杆悬吊的岩重，计算锚杆的间排距根据每根锚杆悬吊的岩重，计算锚杆的间排距s1
37、、s2(m)，通，通常按锚杆等距排列：常按锚杆等距排列： 式中式中: Q由拉拔试验确定的锚固力，由拉拔试验确定的锚固力，kN； 杆体材料的抗拉强度，杆体材料的抗拉强度，MPa。式中式中:K 锚杆安全系数，一般取锚杆安全系数，一般取K1.52； 岩石体积力，岩石体积力，KN/m3。 按组合梁理论计算：按组合梁理论计算：式中式中 K1安全系数，一般取安全系数，一般取K135； q均布载荷，均布载荷，kN/m。v根据根据组合梁的抗剪强度，计算锚杆的间排距的抗剪强度，计算锚杆的间排距s1、s2(m)，通常按锚杆等距排列：，通常按锚杆等距排列：式中式中 杆体材料抗剪强度，杆体材料抗剪强度，MPa； K2
38、顶板抗剪安全系数，一般取顶板抗剪安全系数，一般取K236。在考虑了岩层在考虑了岩层蠕变的影响及顶板各岩层间的影响及顶板各岩层间摩擦作用的作用的影响后：影响后： 式中式中 x 原岩水平应力，原岩水平应力，MPa； 反映与梁应力和弯曲有关的各岩层间摩擦作用的惯反映与梁应力和弯曲有关的各岩层间摩擦作用的惯性矩折减系数。性矩折减系数。v巷道锚杆支护设计的巷道锚杆支护设计的基本思想：地质调查、设计、施：地质调查、设计、施工、监测、信息反馈等是相互关联、制约和影响的有工、监测、信息反馈等是相互关联、制约和影响的有机整体，巷道支护系统是一个复杂的系统工程。机整体，巷道支护系统是一个复杂的系统工程。v系统设计
39、方法包括包括6个基本部分：个基本部分： 地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩体力学性质评地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩体力学性质评估。估。 初始设计。初始设计。 按初始设计选定的方案进行施工。按初始设计选定的方案进行施工。 现场监测。现场监测。 信息反馈与修改、完善设计。信息反馈与修改、完善设计。 重复进行由初始设计至信息反馈与修改、完善设计步骤，重复进行由初始设计至信息反馈与修改、完善设计步骤，直到满意为止。直到满意为止。3、系统设计法第六节第六节 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术软岩巷道围岩变形规律及其支护技术一、软岩的基本属性（一）软岩的概念v软岩定义分为地质软岩和工程软岩。软岩定
40、义分为地质软岩和工程软岩。（二）软岩的基本属性1、软化临界荷载v岩石的蠕变试验表明，施加的载荷小于某一载荷水平时，岩岩石的蠕变试验表明，施加的载荷小于某一载荷水平时，岩石处于石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值。变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值。v施加的载荷大于该载荷水平时，岩石的应变不断增加，出现施加的载荷大于该载荷水平时，岩石的应变不断增加，出现明显的塑性变形明显的塑性变形加速现象。这一载荷水平称为软岩的现象。这一载荷水平称为软岩的软化临界载荷。v施加的载荷水平施加的载荷水平低于软化临界荷载时，岩石处于硬岩范畴；软化临界荷载时，岩石处于硬岩范畴；施加的载荷水平施加的载荷水平高于软化临
41、界荷载时，岩石称为软岩。软化临界荷载时，岩石称为软岩。2、软化临界深度v与软化临界荷载相对应地存在与软化临界荷载相对应地存在软化临界深度。v当巷道埋深当巷道埋深大于某一开采深度时，围岩产生明显的某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形；v当巷道埋深当巷道埋深小于该开采深度时，巷道围岩该开采深度时，巷道围岩不出现明显出现明显变形。变形。v这一临界深度称这一临界深度称软化临界深度。软化临界荷载和软化临界深度可以软化临界荷载和软化临界深度可以相互推求，不考虑，不考虑工程扰动力的影响，在无构造残余应力的矿区，其关工程扰动力的影响，在无构造残余应力的矿区，其关系为：系为：式中：式中：Hc软化临界深度，软
42、化临界深度，m； c软化临界荷载，软化临界荷载，MPa； 上覆岩层第上覆岩层第i层岩层容重，层岩层容重，kN/m3； H 覆岩层总厚度，覆岩层总厚度，m； hi上覆岩层第上覆岩层第i层岩层厚度，层岩层厚度，m； N上覆岩层层数。上覆岩层层数。二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律1、软岩巷道围岩变形力学机制v三种形式：物化膨胀类型三种形式：物化膨胀类型(低强度软岩低强度软岩)、应力扩容类型和结构、应力扩容类型和结构变形类型。变形类型。2、软岩巷道围岩变形规律 （1）软岩巷道围岩变形的影响因素v 岩石性质是影响软岩巷道围岩变形的内部因素。是影响软岩巷道围岩变形的内部因素。v 应力环境是影响软岩巷
43、道围岩变形的主要的外部因素。是影响软岩巷道围岩变形的主要的外部因素。v 地下地下水和工程用水对膨胀岩危害性很大（连结力削弱，同时和工程用水对膨胀岩危害性很大（连结力削弱，同时引起岩石内部应力不均）。引起岩石内部应力不均）。v 对对扰动的敏感是软岩的特性之一，邻近巷道施工、采面回采是软岩的特性之一，邻近巷道施工、采面回采的震动对软岩巷道围岩的震动对软岩巷道围岩 变形的影响较明显。变形的影响较明显。 v 软岩具有明显的软岩具有明显的流变特性，时间也是不可忽略的影响因素。，时间也是不可忽略的影响因素。（2）软岩巷道围岩变形规律v 软岩巷道围岩变形具有明显的软岩巷道围岩变形具有明显的时间效应。表现为。
44、表现为初始变形速度很大，变形趋向稳定后仍以较大速度初始变形速度很大，变形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，持续时间很长。产生流变，持续时间很长。v 软岩巷道多表现为软岩巷道多表现为环向受压，且为，且为非对称性。软。软岩巷道不仅顶板变形易冒落，底板也产生强烈底鼓，岩巷道不仅顶板变形易冒落，底板也产生强烈底鼓，并引发两帮破坏顶板坍塌。并引发两帮破坏顶板坍塌。v 软岩巷道围岩变形随软岩巷道围岩变形随埋深增加而增大，存在一个增加而增大，存在一个软化临界深度，超过临界深度变形量急剧增加。软化临界深度，超过临界深度变形量急剧增加。v 软岩巷道围岩变形在不同的应力作用下，具有明软岩巷道围岩变形在不同的应力作用
45、下，具有明显的显的方向性。巷道自稳能力差，自稳时间短。巷道自稳能力差，自稳时间短。三、软岩巷道支护技术1、软岩巷道支护技术特点v软岩变形力学机制不同，引起巷道变形破坏特点也软岩变形力学机制不同，引起巷道变形破坏特点也不一样。不一样。v软岩巷道之所以具有软岩巷道之所以具有大变形、高压力、难以支护的的特点，是因为软岩具有特点，是因为软岩具有多种变形力学机制的变形力学机制的复合型变形力学机制。变形力学机制。v支护须注重以下关键技术：支护须注重以下关键技术： 正确地确定软岩变形力学机制的复合型式。正确地确定软岩变形力学机制的复合型式。 有效地将复合型变形力学机制有效地将复合型变形力学机制转化为单一型。
46、为单一型。 合理地运用复合型变形力学机制的合理地运用复合型变形力学机制的转化技术。2、软岩巷道支护原理（1）巷道支护原理v软岩巷道支护和硬岩巷道支护软岩巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由截然不同，这是由它们的它们的本构关系决定的。决定的。v硬岩巷道支护巷道支护不允许硬岩进入允许硬岩进入塑性，因为硬岩进入塑，因为硬岩进入塑性状态意味着性状态意味着丧失承载能力。承载能力。v软岩巷道支护时软岩进入塑性状态巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免，应以达避免，应以达到其到其最大塑性承载能力为塑性承载能力为最佳；同时其巨大的；同时其巨大的塑性能(如膨胀变形能如膨胀变形能)必须以某种形式必须以某种形式释
47、放出来。出来。v软岩支护设计的软岩支护设计的关键之一是选择变形能之一是选择变形能释放时间和时间和支护时间。时间。（2）最佳支护时间和时段v硐室开挖之后，围岩变形逐渐硐室开挖之后，围岩变形逐渐增加。增加。v以变形速度区分，可划分三个以变形速度区分，可划分三个阶段：即阶段：即减速变形阶段、变形阶段、近似线性的的恒速变形阶段和变形阶段和加速变变形阶段。形阶段。v最佳支护时间是以变形的形式是以变形的形式转化的工程力和围岩自撑力最转化的工程力和围岩自撑力最大，工程支护力最小的支护时大，工程支护力最小的支护时间。间。（3）最佳支护时间的物理意义v塑性工作状态。塑性区的出现使应力集中区向纵深塑性工作状态。塑
48、性区的出现使应力集中区向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩的屈服强度时，偏移，当应力集中的强度超过围岩的屈服强度时，又将出现新的塑性区。如此又将出现新的塑性区。如此逐层推进，使塑性区不，使塑性区不断向纵深发展。断向纵深发展。v塑性区可分为塑性区可分为稳定塑性区和塑性区和非稳定塑性区（塑性区（松动破坏出现与否）小。出现与否）小。v因此，对于高应力软岩巷道支护而言，要因此，对于高应力软岩巷道支护而言，要允许出现出现稳定塑性区，稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间观判别标志就是最佳支护时间Ts，v最佳支护时间的最佳支护时间的力学含意就是最
49、大限度地发挥塑性就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。 （4）关键部位支护v软岩巷道破坏过程是软岩巷道破坏过程是渐进的力学过程，往往是从一的力学过程，往往是从一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统失稳。系统失稳。v这些首先破坏的部位，称为这些首先破坏的部位，称为关键部位。v关键部位产生的根本原因是支护体力学特性与围岩关键部位产生的根本原因是支护体力学特性与围岩力学特性力学特性不耦合，通常发生在围岩应力集中处和围，通常发生在围岩应力集中处和围岩岩体强度岩岩体强度薄弱位置。位置。v及时加
50、强支护及时加强支护关键部位可取得事半功倍之效果。可取得事半功倍之效果。3、软岩巷道常用支护形式v(1) 锚喷网支护锚喷网支护v(2) 可缩性金属支架可缩性金属支架v(3) 弧板支护弧板支护v四、巷道底鼓机理和防治v五、巷道围岩注浆加固技术v六、巷道支架架后充填v七、软岩巷道锚注支护第七章 巷道支护质量监测第一节第一节 棚式支架支护质量监测棚式支架支护质量监测一、棚式支架支护质量监测指标v1、支护型式和设计参数、支护型式和设计参数v2、掘进迎头地质条件及工作环境、掘进迎头地质条件及工作环境v3、掘进迎头巷道工程质量监测指标、掘进迎头巷道工程质量监测指标v4、临时支护及棚式支架、临时支护及棚式支架
51、10 m加固加固v5、掘进迎头、掘进迎头10 m外巷道工程巡检监测指标外巷道工程巡检监测指标二、棚式支架支护质量监测1、监测方法v监测指标用数值表示，一般用钢尺、皮尺、度尺量测，螺母用数值表示，一般用钢尺、皮尺、度尺量测，螺母扭距用扭力搬手量测。对于目前难于用数值反映的指标，根扭距用扭力搬手量测。对于目前难于用数值反映的指标，根据设计要求，给出一定系数综合评定。据设计要求，给出一定系数综合评定。2、监测指标评定v根据原煤炭部制定的煤矿井巷工程施工质量标准及现场施工根据原煤炭部制定的煤矿井巷工程施工质量标准及现场施工实际情况，支护质量要求允许误差如下：实际情况，支护质量要求允许误差如下：v棚距：
52、棚子中对中间距一设计值：棚子中对中间距一设计值I50 mm。v边线左宽：20 mm中心线至左帮间距一设计值中心线至左帮间距一设计值50 mm(运运输巷道和机电硐室输巷道和机电硐室)，v中心线至左帮间距一设计值一设计值I50mm(其他巷道和硐室其他巷道和硐室)。v边线右宽：与边线左宽相同。：与边线左宽相同。v巷道净高：30 mm腰线至顶板间距一设计值腰线至顶板间距一设计值50 mm，30 mm腰线至底板间距一设计值腰线至底板间距一设计值50 mm第二节第二节 锚杆支护质量检查和监测锚杆支护质量检查和监测一、锚杆支护施工质量检查v锚杆支护质量检查包括锚杆支护材料检查、锚杆支护质量检查包括锚杆支护材
53、料检查、锚杆施工质量检查、锚杆支护质量检查三部锚杆施工质量检查、锚杆支护质量检查三部分内容。分内容。锚杆支护质量检查锚杆安装质量检查锚杆安装质量检查锚杆托盘安装质量检查锚杆托盘安装质量检查铺网、钢带安装质量检查铺网、钢带安装质量检查锚杆抗拔力检测锚杆抗拔力检测锚杆螺母的检查锚杆螺母的检查锚索安装质量检查锚索安装质量检查二、锚杆支护质量监测v锚杆支护巷道围岩破坏往往带锚杆支护巷道围岩破坏往往带有有突发性质。因此，所有采用性质。因此，所有采用锚杆支护的巷道锚杆支护的巷道都应当进行锚进行锚杆支护质量监，保障杆支护质量监，保障安全生产，生产，同时提供信息作为同时提供信息作为完善锚杆支锚杆支护设计的依据
54、。护设计的依据。v监测主要内容有巷道顶板监测主要内容有巷道顶板离层和围岩和围岩移近量等。等。第三节第三节 锚杆支护巷道顶板离层界限值的确定锚杆支护巷道顶板离层界限值的确定v离层是顶板岩层结构破坏的主要原因之一，是顶板岩层结构破坏的主要原因之一，v顶板离层的监测，确定不同条件下的顶板离层的监测，确定不同条件下的离层极限值是是保证锚杆支护巷道安全的极其重要的措施。保证锚杆支护巷道安全的极其重要的措施。三、顶板离层界限值的确定v顶板离层界限值是指锚杆支护巷道在是指锚杆支护巷道在正常使用情况使用情况下所下所允许的顶板离层的范围。的顶板离层的范围。v确定顶板离层界限是急需解决的问题，至今确定顶板离层界限是急需解决的问题，至今尚无切切实可行的顶板离层界限值确定方法。实可行的顶板离层界限值确定方法。v目前，确定顶板离层界限值多通过目前，确定顶板离层界限值多通过实践不断检验、不断检验、修正，建立符合本矿区条件的经验计算公式。修正，建立符合本矿区条件的经验计算公式。
