复杂地质条件下极不稳定煤岩巷道围岩稳定性控制及 ... - 湖南科技大学
复杂条件下大断面硐室围岩稳定性控制研究
复杂条件下大断面硐室围岩稳定性控制研究
郝明月
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2018(040)008
【摘要】针对陈四楼煤矿九采区复杂地质条件下大断面硐室围岩经常大面积严重破坏且围岩稳定性控制难度不断增大的问题,采用现场调查、试验研究和数值模拟的方法,分析了硐室围岩变形破坏特征,提出了锚杆锚索协同支护控制技术.采用数值模拟软件FLAC3D对锚杆锚索支护后硐室围岩的水平应力场、垂直应力场及破坏场分布进行模拟,结果表明:硐室围岩支护效果良好,硐室能保持长期稳定.对类似条件下大断面硐室支护具有一定的指导意义.
【总页数】5页(P191-195)
【作者】郝明月
【作者单位】河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿,河南永城 476600
【正文语种】中文
【中图分类】TD354
【相关文献】
1.深部软岩大断面硐室围岩稳定性控制技术 [J], 耿福高
2.深井大断面硐室围岩稳定性控制模拟分析 [J], 梁权宇;陈顺满;王贻明
3.深部软岩大断面硐室围岩稳定性控制技术 [J], 耿福高
4.大断面硐室围岩塑性区变形及稳定性控制 [J], 王贺;刘军;肖治民;周浩;孙磊;喻君;
石崇
5.复杂条件下大断面硐室围岩稳定性控制研究 [J], 郝明月;
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复杂条件下薄煤层开采巷道围岩控制问题及对策
摘要：针对南方复杂地质条件薄煤层开采巷道难控制的问题，文章以含春煤矿薄煤层开采为例，分析了薄煤层开采巷道围岩控制中存在的问题及巷道变形破坏特征，并针对性地提出复杂条件下薄煤层开采巷道的控制对策及支护技术。
工程实践表明，应用新支护技术后巷道围岩变形得到有效控制，支护体受力情况良好，能够保证围岩结构的长时间稳定性。
关键词：复杂地质条件；薄煤层；软弱围岩；巷道支护中图分类号：td353 文献标识码：a 文章编号：1006-8937（2016）17-0171-02相较于北方大型煤炭生产基地，南方煤炭资源十分有限，而考虑地区民用需求则必须保证一定数量的煤矿开采。
就南方煤炭资源分布情况而言，煤层厚度在2 m以下薄煤层占有相当大的比例，且多处煤层赋存条件较为复杂。
复杂条件薄煤层开采面临的主要问题包括瓦斯和软岩，由于近年来对瓦斯问题的高度重度，瓦斯事故已而到有效控制；而南方软岩巷道围岩稳定性控制一直得不到保障，甚至在很大程度上成为限制煤矿生产效率、生产成本的关键因素。
研究复杂条件下软岩巷道新的支护方法，对南方薄煤层资源开发具有重要理论意义和应用价值。
1 复杂条件薄煤层开采巷道支护问题变形特征1.1 巷道支护问题相较于北方大型煤矿，南方煤矿由于地质条件复杂、井型小、煤质差以及其他人为因素，使得巷道支护存在很大问题。
首先，巷道支护方案与参数存在盲目性，矿井巷道支护凭经验进行设计，使得巷道支护刚度不够，支护结构不合理。
其次，支护时机选择不合理，尤其对于巷道掘进后的一次与二次支护，不能确定有效的支护时机。
同时，人为因素造成的巷道施工质量的不合格，亦是造成薄煤层开采巷道围岩难控制的重要因素。
1.2 巷道变形破坏特征对矿井巷道地质情况进行分析发现，巷道变形破坏特征主要为以下几个方面：①巷道的破坏主要集中在帮角与底角位置，此方向为应力集中最大区域；巷道破坏形式以剪切破坏为主，在巷道围岩浅层表面会出现小范围的剪切破坏带，但随着应力加载时间的延长，剪切破坏带规模会逐渐扩大并相互贯通，形成大范围塑形破坏。
极软岩层巷道围岩控制技术研究(毕业答辩)
4 巷道围岩力学特征与围岩应力数值模拟
4.1 建立模型 水井头矿主采煤层为Ⅱ煤，厚1~2.6m，平均 厚1.9m，倾角20°~40°，普氏硬度f=1.5，煤 层上方为砂质泥岩，呈灰黑色，含植物化石及 黄铁矿结核，厚12m。巷道所在岩层为40m厚 的中粒砂岩，灰白色，中厚层状。巷道下方为 46m厚的深灰色砂质泥岩。
巷道破坏原因 （1）工程地质条件恶劣，主要表现在巷道埋深 大、构造应力影响较大，围岩较破碎、强度低、 膨胀性强； （2）支护强度不足，尤其是两帮支护强度低， 没有锚索支护，未能充分调动深部围岩强度； （3）未采取底板控制措施，导致底鼓严重； （4）U型钢支架型号小、砌碹支护壁后充填不密 实，使支护体受力不均匀。
湖南科技大学07级硕士研究生
毕业答辩
极软岩层巷道围岩控制技术研究
报 告 人： 朱香辉 专 业：采矿工程 指导老师：王卫军（教授）
目
1 2 3
录
绪 论 极软岩层巷道耦合支护机理研究 巷道变形机理分析
4 力学特征与应力对巷道围岩稳定性数影响值 5 6 3 7
模拟 高应力极软岩层支护原理及数值模拟 工程实践 结论与展望
模型底部边界水平、垂直位移固定
（ux=0,uy=0），左右两侧模型边界的水平位 移固定（ux=0），采用莫尔-库仑破坏准则。
网格划分模型
4.2 巷道围岩力学特性对巷道稳定性的影响
普通软岩和极软岩层在相同应力作用下数值模拟结果
砂质泥岩
煤层
中粒砂岩
砂质泥岩
数值计算模型
力学参数
计算模型
根据FLAC软件计算精度对网格划分大小的要求，
计算模型模拟范围为:宽×高=100m×100m，网 格为200×200，划分为40000个单元，巷道开挖 部分采用网格细化处理，以提高其计算精度。计 算模拟模型的上部边界距地表约440米，则模型的 上表面施加均匀的垂直应力11Mpa 。
巷道围岩稳定性及控制技术
③ 增加围岩强度可以显著减小巷道围岩的位移
综合考虑可靠性、经济性和使用方便。
三、用工字钢、U型钢、废钢轨等各种钢材加工的支架)
锚杆及其与其他形式组合的联合支护(包括锚梁、锚网、锚喷，锚注等)
① 1945~1950年，机械式锚杆研究与应用；
（四）、巷道支护理论学说
悬吊理论 锚 杆 传统学说 组合梁理论 组合拱理论 围岩强度强化理论 刚性梁理论 近代学说 锚固平衡拱理论 最大水平应力理论
支
护 理 论
巷道围岩稳定性及控制技术
二、巷道围岩稳定性评价
（一）、巷道围岩稳定性影响因素分析及分类指标
对于煤层巷道而言，采动影响主要有两个方面，即本区段的采动影响 和相邻区段的残余采动影响。
① 本区段的采动影响：指因本
区段工作面回采引起的超前支 承压力的影响。在工作面的正 常推进过程中，由于采煤工作 面的大面积回采，工作面前方 煤体上形成了很大的超前支承 压力作用，这个超前支承压力 的影响是煤层巷道在整个服务 期间内围岩变形和破坏的主要 原因。
沿工作面推进方向的超前支承压力分布示意图
二、巷道围岩稳定性评价
（一）、巷道围岩稳定性影响因素分析及分类指标确定
超前支承压力的分布与工作面老顶运动状态密切相关，井下实测资料 表明，直接顶厚度与采高的比值 N可以反映老顶的来压强度，即在同样的 老顶条件下，N值越大，老顶来压强度越小；反之，老顶来压强度就越大。 因此，可以利用N来反映本区段超前支承压力的影响。
⑥ 1990~2000年，以螺纹钢锚杆为代表的锚杆加之长锚索得到了广泛应用；
⑦ 2000~至今，以高强、高预应力锚杆及锚索得到了广泛应用。
钢筋(或型钢)混凝土支架 少量的不支护巷道
三、巷道支护机理
巷道围岩稳定性及控制技术PPT课件
01
围岩稳定性是指在巷道周围岩体 在一定条件下保持其完整性和稳 定性的能力。
02
围岩稳定性分析是评估巷道周围 岩体在各种因素影响下可能发生 的变形、破裂和失稳等行为，从 而为巷道支护和安全提供依据。
影响围岩稳定性的因素
01
02
03
04
地应力
地壳中的应力场对围岩稳定性 产生影响，包括原岩应力和构
造应力等。
性，降低工程成本。
技术先进
积极采用先进的支护技 术、材料和工艺，提高
支护效果。
环保节能
支护材料应尽量选择环保 、可回收利用的，减少对
环境的破坏和污染。
常用支护方式
木支护
以木材为材料，常用坑木、方 木或原木作为支柱和横梁。
金属支架
采用钢材制作，包括钢拱架、 梯形支架等。
混凝土支护
利用混凝土浇筑或喷射，形成 坚固的支护体。
锚杆ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ护
通过在岩体中打入锚杆，利用 锚杆的锚固力来稳定围岩。
支护效果评估
定期监测
对巷道围岩支护进行定期监测，记录围岩变 形、位移等数据。
安全评估
根据监测结果，对巷道的安全状况进行评估， 及时发现潜在隐患。
数据分析
对监测数据进行整理、分析，评估支护效果 及围岩稳定性。
优化设计
根据监测和分析结果，对支护设计进行优化 改进，提高支护效果。
巷道围岩稳定性及控制技术ppt课 件
目 录
• 引言 • 巷道围岩稳定性分析 • 巷道围岩控制技术 • 工程实例分析 • 结论与展望 • 参考文献
01 引言
主题简介
巷道围岩稳定性
主要研究巷道周围岩石的稳定程 度，包括岩石的物理性质、应力 分布、位移变形等因素。
深部极复杂软岩巷道围岩稳定控制技术
深部极复杂软岩巷道围岩稳定控制技术摘要：本文介绍了深部极复杂软岩巷道围岩的稳定控制技术。
首先，将介绍几种常见的地质因素，包括岩性、构造、水文和采矿排放等，以及对深部极复杂软岩巷道的影响。
其次，介绍了应用于深部极复杂软岩巷道的稳定控制技术，这些技术包括巷道增强、支护技术、加固技术、稳定技术、防治技术等，并举例说明了每种技术的应用。
最后，综合考虑上述因素，提出了深部极复杂软岩巷道的稳定控制原则。
关键词：深部极复杂软岩巷道；地质因素；稳定控制技术；稳定控制原则正文：1. 深部极复杂软岩巷道的地质因素在开采深部极复杂软岩巷道时，地质因素是影响巷道稳定性的重要因素。
常见的地质因素包括岩性、构造、水文和采矿排放等。
其中，岩性是深部极复杂软岩巷道稳定性影响最大的因素，岩石的力学性质及其内部微观结构对巷道稳定性有重要影响。
构造因素指的是岩体的构造特征，如断层、褶皱、翘曲等，构造会影响巷道的稳定状态。
水文因素是指地下水的流量和流向，水文因素会导致岩体的浸润和潮湿。
采矿排放包括巷道排气和卸荷，这些会对深部极复杂软岩巷道的稳定性产生影响。
2. 应用于深部极复杂软岩巷道的稳定控制技术为了保证深部极复杂软岩巷道的稳定性，应当应用适当的稳定控制技术。
常见的稳定控制技术包括巷道增强技术、支护技术、加固技术、稳定技术、防治技术等。
巷道增强技术是指通过增加地表巷道的力学强度，使其更加稳定，常见的巷道增强技术有连续墙、不连续墙、夹层墙等。
支护技术是指把支护构件安装在巷道里，以防止岩石出现裂缝，提高深部极复杂软岩巷道的强度。
常见的支护技术有单搭锚、支护网、支护垫等。
加固技术是指对巷道墙体进行加固，以改善岩体的力学性质，加固技术有夹层注浆、初始张力注浆等。
稳定技术是指控制岩体的稳定状态，以防止岩体塌陷，稳定技术有稳固施工、局部增强施工等。
防治技术是指预防和化解巷道塌陷的技术，防治技术有岩爆、岩护、安全监测等。
3. 深部极复杂软岩巷道的稳定控制原则深部极复杂软岩巷道的稳定控制原则是根据巷道地质及巷道结构特点，结合围岩强度及稳定性的评价，合理选择稳定控制技术，以保证深部极复杂软岩巷道的安全及稳定性。
我国煤矿深部开采形势
我国煤矿深部开采形势胡冲（湖南科技大学能源与安全工程学院采矿工程一班081010106）摘要：。
远在公元前500年左右的春秋战国时期，煤已成为一种重要产品，称为石涅或涅石。
魏晋时期称煤炭为石墨，唐宋时期为石炭，明朝始称煤炭，中国煤矿开采历史很久了。
改革开放以来，我国煤炭行业快速发展，在为中国社会、经济进步作出巨大贡献的同时，自身也得到了极大发展。
但是，目前来看，我国煤炭行业所面临的形势依然不容乐观，分析煤炭行业发展中所面临的问题，其中深部开采是最为突出的问题。
关键词：中国煤矿深部开采形势前言：我国采矿工作者一般把采深等于及大于800m的矿井称为深井。
深部矿井开采是我国煤矿井工开采面临的重大技术课题之一。
随着社会对煤炭需求量的日益增长，开采能力不断提高，开采深度不断增加是井工开采的必然趋势。
我国淮南、徐州、新汶、长广、开滦、北票、沈阳、鸡西、抚顺、峰峰、大屯、鹤岗、天府、通化、广旺、平顶山、水城、舒兰等矿区已经进入深部开采。
我国煤矿正在以每年8—12m的速度向深部延深。
因此可以预计，在今后10年内，现有的大部分矿井都将进入深部开采。
1. 1巷道围岩变形随开采深度增大,地应力显著增大,巷道周围应力增高，在浅部相对较硬的围岩,到达深部后为工程软岩, 表现出强烈的扩容性和应变软化特征[ 1], 巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏严重,特别是不良岩层巷道掘进与支护困难.据部分统计，深部巷道实际返修比例高达90%以上.不仅使巷道维护费用大大增加,而且造成矿井生产系统不畅,运输能力不足,风、水、电系统脆弱等一系列问题, 成为矿井安全生产的重大隐患. 具体表现在如下几个方面:1) 巷道变形速度快、变形量大, 底鼓严重。
深部高应力环境下, 岩体储备了较高的能量, 巷道开挖后的卸荷作用, 使岩体中积聚的能量在较短的时间释放出来. 深部围岩最大与最小主应力差有增大趋势, 如在范各庄800m深处地应力测量表明, 最大主应力为29.7, 6.6MPa, 主应力差高达23.1MPa,致使剪应力增大,加速围岩破坏。
巷道围岩稳定性及控制技术综述
组合梁理论
三、巷道支护机理
该理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定 岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆
的作用将表现在两方面：一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防
止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层 间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩 层锁紧成一个较厚的岩层，即组合岩梁。 组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧 成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作
因此, 巷道支护的着眼点应放在
充分利、发挥和改善围岩的自承
能力上。
态，巷道周边浅部围岩的承载能力
得到显著提高，更多的浅部围岩从 无支护时的屈服状态转化为支护后 的弹性状态，围岩塑性区的范围明 显缩小。 (如图中蓝色曲线)
三、巷道支护机理
（二）、巷道支护原则
在巷道支护原理的指导下，为了安全、经济地维护好巷道，在选择支 护型式和参数时应遵循以下原则： 辩证地解决围岩应力与支护强度两者之间的相对关系； 根据实际情况进行一次或二次、多次支护； 提高围岩的自承能力； ① 将围岩由载荷体变为承载体 ② 积极发展主动支护，控制围岩变形
⑥ 1990~2000年，以螺纹钢锚杆为代表的锚杆加之长锚索得到了广泛应用；
⑦ 2000~至今，以高强、高预应力锚杆及锚索得到了广泛应用。
钢筋(或型钢)混凝土支架 少量的不支护巷道
三、巷道支护机理
（四）、巷道支护理论学说
巷道支护理论是巷道支护选择与设计的基础和关键之一，主要解答不 同类型巷道支护(加固)的对象、围岩稳定条件、支护(加固)与围岩相互作用 的机制、各种支护(加固)技术优化选择设计方法等根本性问题，其正确与否
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推荐2017年度湖南省科技进步奖公示材料
项目名称：
复杂地质条件下极不稳定煤岩巷道围岩稳定性控制及成套技术
推荐奖种：
科技进步奖
主要完成人：
朱永建王斌王平张道兵余伟健袁越彭小跃唐鸿翔
主要完成单位：
湖南科技大学湖南黑金时代股份有限公司周源山煤矿重庆市巫山煤电有限公司
推荐单位：
湖南科技大学
项目简介：
本项目以复杂地质条件下极不稳定性煤岩巷道围岩稳定性与控制为主要工
程背景，在国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和湖南省科技计划项目等的
资助下，通过大量理论分析和现场实践，与各矿山企业开展广泛合作研究，提出
了新的巷道围岩分类方法和控制理论，发明了多种新型支护结构与锚固形式，开
发了多种支护新方法及其施工器具与监测手段，进一步推动了复杂条件下矿山巷
道围岩控制理论与技术的发展。
针对顶板岩层结构复杂的大跨度、超长巷道，根据复杂地质条件下的煤巷顶
板围岩变化不确定性特点以及锚杆支护技术工程特性，确定了神东矿区锚杆支护
煤巷顶板稳定性主要影响因素，在BP神经网络预测模型的基础上开发了神东矿
区锚杆支护煤巷顶板稳定性分类软件系统，利用开发的软件系统对该矿区分矿
井、分煤层、分区域进行了煤巷顶板稳定性分类；针对湖南煤业集团周源山煤矿
和重庆市巫山煤电有限公司等矿井提出了综采大跨度回采巷道“锚杆-锚索”减
跨支护技术和大断面切眼的支护方案。
结合高应力软弱煤岩体巷道围岩变形特点，提出了长、短锚杆等应力轴比承
载拱强度理论，讨论了支护结构与围岩形成的承载共同体的大小和形状对深部软
岩巷道稳定性的影响，开发了长、短锚杆支护技术，发明了一种用于全长锚固支
护的协调变形和用于控制深部岩体的高效锚固吸能锚杆等锚固装置，该研究成果应用贵州兴义市凹子冲煤矿回风斜井等巷道。
为了提高构造带极不稳定松散围岩巷道的稳定性，重点研究了端面顶板冒落高度与各影响因素线性相关性，分析了构造带极不稳定松散围岩变形特点，提出全断面注浆设计和双液注浆技术等相关治理方案，开发了一种新型注浆锚索装置和具有自动推进功能的全断面封闭带预切糟U型钢支架及施工方法，该研究成果广泛应用于林东矿业集团泰来煤矿回采和运输等巷道。
针对复杂地质条件下极不稳定巷道的锚固施工问题，为提高钻孔质量和效率，应用了一种新型专用底板钻机，并研发了多角度精确成孔的凿岩机气腿式支架和一种用于巷道底板的带洛阳铲头的锚索钻机等装备；针对深部动压巷道锚杆检测与监测，优化了可伸长锚杆检测的拉拔仪，开发了锚杆安装质量检测的新方法和巷道智能自动监测系统等配套技术。
该系列技术在贵州林东矿业集团泰来煤矿、贵州兴义市凹子冲煤矿和重庆市巫山煤电有限公司等矿区进行了应用。
项目获授权发明专利6项、实用新型专利4项、出版专著1部、发表学术论文10篇，近三年来，本项目先后在湖南煤业集团周源山煤矿、湖南华润煤业唐洞煤矿有限公司、贵州林东矿业集团泰来煤矿、重庆市巫山煤电有限公司、贵州兴义市凹子冲煤矿等10余家矿山企业得到了推广应用，取得直接经济效益超过1.0亿元，显著改善了煤矿巷道的维护和安全状况，为煤炭行业的科技进步做出了重要贡献。