巷道支护基础理论

巷道支护理论基础

主要内容

一、巷道支护基本理论二、煤巷锚杆支护关键技术

三、煤巷顶板事故防治四、煤巷快速掘进技术

1.巷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

●巷道变形量大时上述支架难以满足支护要求

木支架

●优点：重量轻、加工容易、架设方便、有破坏信号●缺点：强度低、易破坏、不防火、易腐蚀、风阻大●适用条件：巷道服务期较短、压力小、断面积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

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：

围岩比较稳定

受动压影响

变形200—500mm

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.围岩不稳定 3受动压影响大 4.变形大于400mm 5.无底臌

U型钢方环形可缩性环形支架锚杆支护梯形巷道适用巷道：

1.服务时间长

2.围岩不稳定

3.受动压影响大

4.变形大于800mm 5有底臌

适用巷道：1.服务时间长2.围岩不稳定3.受动压影响大4.变形大于1000mm5有底臌

锚杆支护拱形巷道

低强度普通的锚杆支护

常用支架的破坏形式

1.埋深小于400m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.巷道围岩条件差

2.围岩应力大

3.支护不适应岩石结构

开采煤层顶底板岩层特点

●埋藏深度100~1000m，压力250~2500t；

●绝大多数顶板有直接顶、老顶和直接底、老底。材料破坏机理

岩块单轴压缩两种破坏形态岩石与软钢应力－应变曲线

岩石循环加载曲线

岩块轴向与横向应力应变曲线

三向应力试验

泥岩三轴试验曲线

大理石三轴试验曲线点载荷试验

直剪试验

岩石抗剪强度试验岩石抗拉强度试验

岩石试件主破裂面岩石破裂面

极限莫尔圆包络线

莫尔圆物理意义应力状态的图示莫尔圆的定量关系

莫尔库仑准则

三轴压缩极限应力圆

单轴压缩极限应力圆

共轭破裂面库仑准则

用强度准则判断稳定性斜直线型莫尔包络线

格里菲斯机理格里菲斯准则

地应力实测结果

普氏地压假说

错误!未找到引用源。

太沙基地压学说

变形压力理论

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(大于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，一般影响范围的直径为巷道最大线性尺寸的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—冒落带; 2—裂隙带

a—覆岩为软岩层; b—覆岩为中硬岩层; c—覆岩为坚硬岩层开采后上覆岩层分区与分带

A—煤壁支撑影响区(a—b); B—离层区(bc); C—重新压实区(cd);

I—冒落带; II—裂隙带; III—弯曲下沉带; —支撑影响角

工作面周围应力集中

开采形成的支承压力

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，地应力大；

3.巷道剧烈变形；煤柱底板应力分布

英国煤柱应力测量结果

煤柱应力

圆形巷道受均布载荷围岩应力

圆形巷道受不等载荷围岩应力

椭圆巷道周边应力矩形巷道周边应力

圆形巷道塑性区分布

层状围岩巷道塑性区分布

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)―沿空巷道；(d)―无直接顶、底的煤柱巷道。分布状态：(a)―“＊”型；(b)、(c)―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，当巷道围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

●巷道周围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围岩变形的发展，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(硐室)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。在一定的条件下，支护体刚度越大，变形压力也越大。

围岩变形不仅包括弹性变形，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、塑性变形大，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、岩体内积聚的弹性应变能在一定条件下突然释放，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象。 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(大于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，一般影响范围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(或硐室)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。巷道围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。